انواع سیالات سیال تراکم‌ناپذیر
در بررسی انواع مختلف سیالاتی که تحت شرایط استاتیکی قرار دارند، پی می‌بریم که بعضی از سیالات ، علی‌رغم وجود فشارهای زیاد ، تغییرات چگالی بسیار کمی دارند. حالت مایع بودن این سیالات به خاطر همین رفتار است. تحت چنین حالتی ، سیال را تراکم‌ناپذیر می‌نامند و در ضمن محاسبات فرض میکنند چگالی آن ثابت است. مطالعه سیالات تراکم‌ناپذیر را در شرایط استاتیکی ، هیدرولیک می‌نامند.
سیال تراکم‌پذیر
در جایی که چگالی را تحت شرایط استاتیکی نتوان ثابت گرفت، مانند یک گاز ، سیال را تراکم‌پذیر می‌گویند و برای مشخص کردن این دسته از مسائل اغلب از نام آئروستاتیک بهره می‌گیریم. این طبقه‌بندی از لحاظ تراکم‌پذیری ، در محدوده علم استاتیک صورت می‌گیرد. در دینامیک سیالات ، اینکه چه وقت می‌توان چگالی را ثابت گرفت، تنها به نوع سیال بستگی ندارد.
حرکات انواع سیالات حرکت سیال غیریکنواخت
از آنجا که سیال نمی‌تواند بدون حرکت در برابر تنش برشی مقاومت کند، سیال ساکن لزوما باید بطور کامل از تنش فارغ باشد. سیالی که حرکت یکنواخت دارد، یعنی جریانی که در آن سرعت تمام اجزا یکسان است، نیز فارغ از تنش برشی است، زیرا تغییر سرعت در تمام جهتها در جریان یکنواخت باید صفر باشد ( v/∂n=0∂).
حرکت سیال غیرچسبناک
سیالی را که چسبناکی آن از لحاظ نظری صفر است، سیال غیرچسبناک می‌گویند. از آنجا که قسمت اعظم جریانها ، آثار چسبناکی ناچیز و قابل صرفنظری دارند، لذا ایده‌آل‌سازی و ساده‌سازی‌های ناشی از آن را اغلب به خوبی می‌توان بهره گرفت. قانون حرکت نیوتن را برای یک جرم منشوری بینهایت کوچک سیال در داخل جریان می‌توان بکار برد.
حرکت سیال چسبناک
آثار چسبناکی را در نظر می‌گیریم، البته معنی‌اش این است که تنشهای برشی حضور دارند، یعنی 9 تنش غیر صفر وارد به سه وجه متعامد در یک نقطه ، می‌تواند وجود داشته باشد. برای اینکه تنش در یک نقطه را مورد بحث قرار دهیم، بهتر است که یک چهاروجهی بینهایت کوچک از سیال را بررسی کنیم. 9 تنش بر وجه عقبی چهاروجهی وارد می‌آید. با بکارگیری قوانین حرکت نیوتن در جهت عمود بر سطح مایل چهار وجهی ، تنش برشی را می‌توان برحسب 9 تنش قائم بر صفحات مرجع بدست آورد.
تغییر فشار در یک سیال
برای توزیع فشار در سیالات ، تعادل نیروهای وارد بر یک جز بینهایت کوچک سیال را در نظر می‌گیریم. نیروهای وارد بر این جز از فشار محیط اطراف و نیروی گرانشی ناشی می‌شوند. اگر فشار فقط در جهت محور z باشد که برخلاف جهت شتاب جاذبه گرانشی (ثقل) انتخاب شده است، می‌تواند تغییر کند. از آنجا که P فقط در جهت z تغییر میکند و تابعی از x و y نیست، از معادله زیر می‌توان استفاده کرد:
dP/dz=-γ
این معادله دیفرانسیل برای هر سیال استاتیک تراکم‌پذیر واقع در یک میدان گرانشی صادق است. برای ارزیابی خود توزیع فشار ، بین دو حد که بطور متناسب انتخاب شده اند، با انتگرالگیری از رابطه فوق خواهیم داشت:
P-Patm=γ(z-z0)=γd
که در آن d عبارت است از فاصله زیر سطح آزاد. P-Patm یعنی فشار بالای فشار جو را ، فشار نسبی (پیمانه‌ای) می‌گوییم.
تغییر فشار با ارتفاع در یک سیال استاتیک تراکم‌پذیر
فواصل عمومی گازها در مسائل فشارسنجی کوچک هستند و در نتیجه برای این گازها از تغییر فشار با ارتفاع چشم پوشی می‌کنیم، ولی در محاسباتی که با فاصله‌های عمومی بزرگ سروکار دارند، مانند مسائل مربوط به جو سیارات ، اغلب باید تغییر فشار گاز با ارتفاع را در نظر بگیریم. با مراجعه به معادله دیفرانسیل dP/dz = -γ که فشار ، وزن مخصوص و ارتفاع را به هم ارتباط می‌دهد، اکنون فرض می‌کنیم، γ یک متغیر است و به این ترتیب تاثیرهای تراکم‌پذیری را امکان‌پذیر میکند. خودمان را به گاز کامل محدود می‌کنیم که این فرض برای هوا و اکثر عناصر آن در گسترده نسبتا وسیعی از فشار و دما صحت دارد. (g/V=γ)
حالت اول
اگر گاز کامل تکدما باشد، در این حالت ، معادله حالت گاز نشان می‌دهد که حاصلضرب PV ثابت است. بدین ترتیب ، در هر مکان داخل سیال با استفاده از اندیس 1 که داده‌های معلوم را نشان می‌دهد، می‌توان نوشت:
PV=P1V1=Cte
(P=P1exp(-γ1(z-z1)/P1
حالت دوم
اگر دما با ارتفاع بطور خطی تغییر کند، تغییر دما برای این حالت به صورت زیر است:
T=T1+kz
که در آن T1 عبارت است از دما در داده (z=0) که آن را اغلب آهنگ افت می‌نامند و ثابت است. در مسائل زمینی k منفی خواهد بود. برای اینکه بتوانیم متغییرهای معادله dP/dz=-γ را جدا کنیم، باید γ را از معادله حالت بدست آوریم و در نهایت خواهیم داشت:
P=P1(T1/(T1+kz))g/kR
تاریخچه:
تا اوایل قرن بیستم مطالعه سیالات را اساسا دو گروه هیدرولیک‌دانان و ریاضیدانان، انجام می‌‌دادند. هیدرولیک‌دانان به صورت تجربی کار می‌‌کردند، در حالی که ریاضیدانان توجه خود را بر روشهای تحلیلی متمرکز کرده بودند. آزمایشهای وسیع و اغلب مبتکرانه گروه اول اطلاعات زیاد و ارزشمندی را در اختیار مهندس کاربردی آن روز قرار می‌‌داد. البته به علت عدم تعمیم یک نظریه کارآمد این نتایج دارای ارزش محدودی بودند. ریاضیدانان نیز با غفلت از اطلاعات تجربی مفروضات آن چنان ساده‌ای را در نظر می‌‌گرفتند که نتایج آنها گاه بطور کامل با واقعیت مغایرت داشت.
محققان برجسته‌ای مانند رینولدز ، فرود ، پرانتل و فن کارمان پی بردند که مطالعه سیالات باید آمیزه‌ای از نظریه و آزمایش باشد. این مطالعات سرآغازی برای رسیدن علم مکانیک سیالات به مرحله کنونی آن بوده است. تسهیلات جدید پژوهش و آزمون که ریاضیدانان و فیزیکدانان ، مهندسان و تکنیسین‌های ماهر در کار جمعی از آن استفاده میکنند، هر دو دیدگاه را به هم نزدیک میکند.
تعریف استاتیک سیالات
در مطالعه محیط پیوسته یا اصطلاحاً پیوستار بین نیروها تمایز یا اختلاف قائل می شویم یعنی نیروها را به دو دسته تقسیم می کنیم
1 ) نیروهای کالبدی body forces : نیروهایی که بر ذرات جسم وارد می شوند یعنی به جرم بستگی دارند. این نیروها می توانند بدون تماس مستقیم و از راه دور بر جسم اثر بگذارند مانند نیروهای جاذبه ثقلی – نیروهای الکترو استاتیکی و مغناطیسی
2 ) نیروهای سطحی surface : نیروهایی که توسط محیط و از طریق مرزهای جسم با محیط اطرافش بر جسم وارد می شوند مانند نیروهای فشاری – نیروهای برشی . نیروهای کشش سطحی
در استاتیک سیالات فشار خاصیت اساسی مطالعه سیالات است در هر نقطه از سیال وجود دارد در اینجا می خواهیم نشان دهیم فشار در یک نقطه به جهت بستگی ندارد. یعنی فشار یک کمیت اسکالر است یک عنصر به صورت 4 وجهی از یک سیال ساکن انتخاب می کنیم . البته می توان سیال را دارای حرکت یکنواخت نیز در نظر گرفت با نوشتن موازنه نیروها می توان نشان داد که فشار در یک نقطه از سیال به جهت بستگی ندارد.
شامل 46 صفحه فایل word قابل ویرایش
دانلود تحقیق مکانیک سیالات
