اثر برنولی: پدیده‌ای که در آن با افزایش سرعت جریان سیال، فشار آن کاهش می‌یابد

اثر برنولی: وقتی هوا و آب حرف می‌زنند!

برنولی کیست و اصل او چه می‌گوید؟

دانیل برنولی²، فیزیکدان و ریاضیدان سوئیسی در قرن هجدهم میلادی بود. او مطالعات گسترده‌ای روی حرکت مایعات و گازها انجام داد. حاصل کار او، رابطه‌ای ریاضی بود که امروزه به معادلهٔ برنولی³ معروف است. در ساده‌ترین بیان، این اصل می‌گوید: در یک جریان افقی و آرام (بی‌آشوب) سیال، هرجا سرعت جریان بیشتر شود، فشار سیال در آن ناحیه کمتر می‌شود و هرجا سرعت کمتر شود، فشار بیشتر می‌شود. سیال به هر ماده‌ای که جاری شود، مانند آب، هوا، نفت و ... اطلاق می‌گردد.

یک آزمایش ساده: یک تکه کاغذ بردارید و آن را از لبهٔ بالایی بین دو دست خود بگیرید تا آزادانه آویزان شود. حالا از بالا، به لبهٔ بالایی کاغذ فوت کنید. چه اتفاقی می‌افتد؟ انتظار داریم کاغذ به دور از هوای فوت شده حرکت کند، اما می‌بینیم که کاغذ به سمت هوای در حال حرکت بلند می‌شود! دلیل این است که هوای بالای کاغذ به دلیل فوت شما، سرعت بیشتری یافته و در نتیجه فشارش کم شده است. هوای آرام در زیر کاغذ که فشار بیشتری دارد، کاغذ را به سمت بالا هل می‌دهد. این همان اثر برنولی در عمل است.

چرا این اتفاق می‌افتد؟ دنبال کردن مولکول‌ها

برای درک شهودی، می‌توانیم سیال را متشکل از تعداد بی‌شماری ذره یا مولکول در نظر بگیریم. وقتی این ذرات در یک مسیر هم‌جهت حرکت می‌کنند، یک جریان را تشکیل می‌دهند. حالا اگر این جریان مجبور شود از یک ناحیهٔ تنگ‌تر عبور کند (مثل وقتی آب‌بازی می‌کنید و شیلنگ را با انگشت می‌گیرید)، ذرات برای عبور از آن تنگی باید سرعت خود را افزایش دهند. این افزایش سرعت به معنای صرف انرژی بیشتر برای حرکت است. این انرژی از کجا می‌آید؟ بخشی از آن از انرژی مربوط به فشار سیال تأمین می‌شود. در نتیجه، ذرات برای سریع‌تر حرکت کردن، بخشی از "فشار" خود را خرج می‌کنند و بنابراین فشار در ناحیه‌ای که سرعت زیاد شده، افت می‌کند.

بال‌های پرنده‌های فولادی: پرواز با اثر برنولی

شاید معروف‌ترین کاربرد اثر برنولی، توضیح چگونگی پرواز هواپیماها باشد. مقطع بال هواپیما به شکل خاصی طراحی شده که مسیر روی بال، منحنی و طولانی‌تر از مسیر زیر بال است. هنگامی که هواپیما روی باند سرعت می‌گیرد، هوایی که از دو طرف بال می‌گذرد، باید هم‌زمان به انتهای بال برسد. از آنجایی که هوای روی بال مسیر طولانی‌تری را باید طی کند، ناچار است سرعت بیشتری داشته باشد. طبق اثر برنولی، افزایش سرعت روی بال باعث کاهش فشار در آن ناحیه می‌شود. در مقابل، هوای زیر بال سرعت کمتر و در نتیجه فشار بیشتری دارد. این اختلاف فشار بین سطح بالا و پایین بال، یک نیروی خالص به سمت بالا ایجاد می‌کند که به آن نیروی برآ⁴ می‌گویند. وقتی این نیرو از وزن هواپیما بیشتر شود، پرندهٔ فولادی از زمین بلند می‌شود.

همین اصل برای پرندگان، پهپادها و حتی بادبادک‌ها نیز صادق است. نکتهٔ جالب اینجاست که اثر برنولی تنها عامل ایجاد نیروی برآ نیست و زاویهٔ حمله⁵ بال نیز نقش مهمی دارد، اما درک اثر برنولی کلید فهم اولیهٔ پرواز است.

از ورزشگاه تا لوله‌کشی خانه: اثر برنولی در اطراف ما

این پدیده فقط در آسمان نیست که خودنمایی می‌کند. در زندگی روزمره بارها با آن روبرو می‌شویم:

• توپ‌های چرخان در ورزش: وقتی یک فوتبالیست توپ را با چرخش (ضربهٔ بایرل) می‌زند، توپ در حین پرواز می‌چرخد. این چرخش باعث می‌شود در یک سمت توپ، جهت جریان هوا با جهت چرخش توپ هم‌سو و در سمت دیگر، مخالف باشد. در سمت هم‌سو، سرعت هوا نسبی بیشتر و فشار کمتر می‌شود. در نتیجه، توپ از سمت پر فشار به سمت کم فشار منحرف می‌شود و مسیر خمیده‌ای را طی می‌کند. این پدیده را اثر مگنوس⁶ می‌نامند که ریشه در اثر برنولی دارد.
• دودکش‌ها و تهویه: دودکش‌های بلند به دلیل اینکه باد در بالای آنها سریع‌تر می‌وزد (اصطکاک کم‌تر)، فشار کمتری ایجاد می‌کنند. این اختلاف فشار بین پایین و بالای دودکش، به خروج دود و گازها کمک می‌کند.
• لوله‌های ونتوری در صنعت: در بسیاری از دستگاه‌های اندازه‌گیری، از لوله‌هایی با طراحی خاص (ونتوری) استفاده می‌شود. با تنگ کردن مسیر و افزایش سرعت جریان در یک نقطه، فشار در آن نقطه کاهش می‌یابد. این کاهش فشار را می‌توان اندازه گرفت و از آن برای محاسبهٔ سرعت جریان سیال (مثلاً آب در لوله‌ها یا هوا در تونل باد) استفاده کرد.
• اسپری‌ها و رنگ‌پاش‌ها: در یک اسپری ساده، وقتی شما به لوله‌ای که هوای با سرعت بالا از آن عبور می‌کند فوت می‌کنید، فشار در دهانهٔ لولهٔ عمودی که داخل مایع است، کم می‌شود. فشار هوای معمولی روی سطح مایع در محفظه، مایع را به سمت بالا و به داخل جریان هوا می‌راند و آن را به ذرات ریز تبدیل می‌کند.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

¹ Bernoulli Effect / Bernoulli's Principle - به افتخار دانیل برنولی.
² Daniel Bernoulli (1700-1782).
³ Bernoulli's Equation.
⁴ Lift - نیروی عمودی به سمت بالا که باعث بلند شدن جسم در سیال می‌شود.
⁵ Angle of Attack - زاویه‌ای که خط وتر بال با جهت جریان هوا می‌سازد.
⁶ Magnus Effect - انحراف مسیر جسم چرخان در سیال.
⁷ جریان هوا.
⁸ خلاء نسبی.
⁹ Atmospheric Pressure.