استاتیک سیالات بخش اول

آشنایی با ویژگی های سیال
آشنایی با ویژگی های سیال
جولای 29, 2020
استاتیک سیالات
استاتیک سیالات بخش دوم
جولای 29, 2020
استاتیک سیالات

استاتیک سیالات

۱-۲ فشار استاتیک

 نیروی عمودی اعمال شده از طرف سیال در واحد سطح است. واحد فشار، نیوتن بر مترمربع یا پاسکال است. واحدهای دیگری از فشار نیز وجود دارد که هر ۱ بار معادل ۱۰ پاسکال و هر ۱ اتمسفر استاندارد معادل ۱۰۱٫۳۳ کیلو پاسکال است.

۲-۱-۱ فشار استاتیک در یک نقطه

فشار در یک نقطه‌ی سیال، چه در حال سکون و چه در حال حرکت تا زمانی که هیچ‌گونه تنش برشی در سیال وجود نداشته باشد، در همه‌ی جهت‌ها با هم برابر است. این نتیجه‌ی مهم به افتخار بلیس پاسکال به نام قانون پاسکال نامیده شد.

۲ – ۱ اتمسفر استاندارد

فشار اتمسفر بر روی سطح زمین متغیر است، به‌نحوی‌که بر روی ارتفاعات مقدار آن کمتر است و در اثر گردش زمین و تغییرات دمایی، مقدار آن تغییر می‌کند؛ لذا انتخاب فشار معرف که بیان کننده‌ی شرایط متوسط اتمسفر زمین است، ضروری است.

۲ – ۳ فشار مطلق و فشار نسبی

فشار در یک نقطه از سیال می‌تواند به دو صورت فشار مطلق و فشار نسبی بیان شود. فشار مطلق نسبت به خط کامل (فشار مطلق صفر) سنجیده می‌شود، درحالی‌که فشار نسبی نسبت به فشار اتمسفر محلی اندازه‌گیری می‌شود. فشار مطلق، همیشه مقدار آن مثبت است و مقدار فشار نسبی‌بسته به اینکه بیشتر از فشار اتمسفر محلی یا کمتر از آن باشد، می‌تواند مثبت و یا منفی باشد. چنانچه فشار نسبی در نقطه‌ای منفی باشد، بدان معنی است که در آن نقطه، فشار موجود از فشار اتمسفر محلی کمتر است و لذا به آن فشار مکش گفته می‌شود.

۲ – ۴ فشارسنج لوله‌ای 

وسیله‌ای که بر اساس تبدیل فشار به ارتفاع معادل مایع عمل می‌کند، فشارسنج لوله‌ای نامیده می‌شوند. فشارسنج لوله‌ای برحسب کاربرد و شکل ظاهری به سه دسته‌ی فشارسنج لوله‌ای پیز و متر، فشارسنج لوله‌ای مایل و فشارسنج لوله‌ای U شکل تقسیم‌بندی می‌شوند.

۲ – ۴ – ۱ فشارسنج لوله‌ای پیز و متر 

فشارسنج لوله‌ای پیز و متر، ساده‌ترین و ارزان‌ترین ابزار برای اندازه‌گیری فشار به شمار می‌آید.

۲ – ۴ – ۲ فشارسنج لوله‌ای مایل 

فشارسنج لوله‌ای مایل معمولاً برای اندازه‌گیری فشارهای نسبی کم به کار می‌رود.

۲ – ۴ – ۳ فشارسنج لوله‌ای U شکل

 فشارسنج لوله‌ای شکل از دو لوله‌ی قایم به شکل U تشکیل شده است. چنانچه از فشارسنج U شکل برای اندازه‌گیری اختلاف فشار بین دو نقطه استفاده شود به آن فشارسنج شکل تفاضلی گفته می‌شود. برای اندازه‌گیری فشارهای نوسانی، از فشارسنج‌های لوله‌ای استفاده می‌شود که به فشارسنج لوله‌ای از نوع چاه شناخته می‌شود.

برای محاسبه‌ی فشار در نقطه، از رابطه‌ی فشار هیدرو استاتیک استفاده می‌شود. در اینجا، از نقطه حرکت کرده تا به نقطه‌ی برسیم که در آن فشار اتمسفر وجود داشته باشد. در راستای حرکت چنانچه مسیر افقی باشد، فشار ثابت باقی‌مانده و چنانچه به سمت بالا و یا پایین حرکت شود، به اندازه‌ی فشار ایجاد شده، از مقدار فشار به ترتیب کاسته و یا به آن افزوده می‌شود.

۲ – ۵ نیروی فشار هیدرو استاتیک 

باتوجه‌به اینکه سیالات شامل گازها و مایعات هستند، بررسی رفتار مایعات در حال سکون، هیدرو استاتیک و بررسی رفتار گازهای در حال سکون آیرواستاتیک نامیده شده است.

۲ – ۵ – ۱ نیروی هیدرو استاتیک بر روی سطوح مستوی (صاف)

 به منظور به‌دست‌آوردن رابطه‌ی کلی برای محاسبه‌ی مقدار، جهت و محل اثر نیروی برایند وارد از طرف سیال بر سطوح مستوی، یک صفحه‌ی مستوی با شکلی دلخواه و به صورت مایل در نظر گرفته شده است.

به ترتیب محل اثر نیروی برایند در راستای محورهای ممان اینرسی سطح نسبت به محوری است که از مرکز سطح جسم می‌گذرد و موازی محور است و همان اینرسی حاصل‌ضرب نسبت به دو محور متعامد است.

۲ – ۵ – ۲ منشور فشار

 چنانچه شکل سه‌بعدی توزیع فشار در عمق بر روی صفحه‌ی مستطیلی شود، حجمی سه‌بعدی به دست می‌آید که به آن منشور فشار گفته می‌شود. حجم منشور فشار برابر با نیروی وارد بر سطح موردنظر است و مرکز حجم منشور فشار همان محل اثر برایند نیروهای هیدرو استاتیکی وارد بر صفحه، مرکز فشار (CP) نامیده می‌شود.

۲ – ۵ – ۳ نیروی هیدرواستاتیکی بر روی سطوح منحنی (خمیده)

 هنگامی‌که یک سطح منحنی درون سیال قرار گیرد، با تغییر انحنای سطح جسم، نیروی وارد بر آن نیز تغییر جهت می‌دهد. برای محاسبه‌ی مقدار نیرو می‌توان از روش مستقیم انتگرال‌گیری استفاده کرد. غیر از روش انتگرال‌گیری مستقیم، روش دیگری نیز وجود دارد که استفاده از آن به مراتب راحت‌تر از روش مستقیم است. در این روش، دیاگرام جسم آزاد بلوکی از سیال که یک وجه آن سطح منحنی و دو وجه دیگر آن سطوح افقی و قایم سطح منحنی باشد، انتخاب و از تعادل بلوک سیال، مؤلفه‌ی افقی (FH) و مؤلفه‌ی قایم (Fv)، نیروی برایند محاسبه می‌شود. در واقع سطح منحنی در دو راستای افقی و عمودی تصویر شده است و محاسبه‌ی این نیروها از رابطه‌های قبلی مربوط به سطوح مستوی به راحتی امکان‌پذیر است.

لازم به ذکر است که علامت جمع در رابطه‌ی به شکل برداری است. یعنی چنانچه در بردار F و W در یک جهت باشند، با همدیگر جمع و چنانچه در دو جهت مخالف هم باشند، از همدیگر کم می‌شوند.

باتوجه‌به اینکه نیروی F همواره با وزن مایع در بالای سطح افقی تصویر شده برابر است، برای محاسبه‌ی مؤلفه‌ی قایم نیروی برایند Fv کافی است دو خط قایم از نقطه‌ی ابتدایی و انتهایی سطح منحنی ترسیم و آنها را تا سطح آزاد مایع ادامه دهیم؛ بنابراین، سطحی ایجاد می‌شود که در طرفین آن دو خط قایم و در بالا و پایین آن به ترتیب سطح آزاد سیال و سطح منحنی قرار دارند. وزن سیالی که درون این حجم قرار گیرد (خواه سیال وجود داشته باشد و یا وجود نداشته باشد) برابر با مؤلفه‌ی قایم نیروی برایند وارد بر سطح منحنی است. نمونه‌هایی از نحوه‌ی محاسبه‌ی مؤلفه‌ی قایم نیروی برایند ارائه شده است و لازم به ذکر است که چنانچه در بالای سطح مایع، فشاری غیر از فشار اتمسفر وجود داشته باشد، ابتدا بایستی سطح آزاد معادل را به دست آورد و این سطح آزاد را مبنای محاسبات قرارداد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *