شاره: جهان سیال و شگفتانگیز در اطراف ما
شاره چیست و چه ویژگیهایی دارد؟
در دنیای علم، مواد به طور کلی در سه حالت جامد، مایع و گاز وجود دارند. شاره عنوانی است که دو حالت مایع و گاز را در بر میگیرد. وجه مشترک این دو حالت، توانایی آنها در تغییر شکل و جاری شدن است. به زبان ساده، اگر مادهای بتواند از جایی به جای دیگر برود و شکل ظرف خود را بگیرد، یک شاره است.
برای درک بهتر، یک تکه یخ (حالت جامد)، یک لیوان آب (حالت مایع) و هوای داخل یک بادکنک (حالت گاز) را در نظر بگیرید. یخ شکل ثابتی دارد. اما اگر آن را ذوب کنیم، آب حاصل در لیوان میرود و شکل لیوان را میگیرد. همین طور اگر در بادکنک را باز کنیم، هوای داخل آن به بیرون جریان مییابد و در فضای اتاق پخش میشود. این خاصیت جریانیابی، مهمترین ویژگی شارهها است.
| ویژگی | مایع (مانند آب) | گاز (مانند هوا) |
|---|---|---|
| شکل پذیری | شکل ظرف را میگیرد. | کاملاً پراکنده میشود و کل فضای در دسترس را پر میکند. |
| تراکم پذیری⁵ | غیرقابل تراکم یا بسیار کم. حجم ثابتی دارد. | به راحتی متراکم میشود. حجم آن بستگی به فشار و دما دارد. |
| چگالی⁶ | بالا (مثلاً آب: 1000 کیلوگرم بر مترمکعب). | بسیار پایین (مثلاً هوا: حدود 1.2 کیلوگرم بر مترمکعب). |
| مثال ملموس | رودخانه، نوشیدنی در لیوان، باران. | باد، تنفس، بادکنک پر از هلیوم. |
اصول حاکم بر رفتار شارهها: فشار، دبی و شناوری
برای توصیف و پیشبینی رفتار شارهها، چند مفهوم فیزیکی مهم وجود دارد. این مفاهیم به ما کمک میکنند پدیدههایی مانند پرواز هواپیما، کارکرد پمپ آب و یا شناور شدن کشتی را درک کنیم.
فشار⁷: نیرویی است که شاره بر واحد سطح وارد میکند. فرمول سادهٔ آن به صورت زیر است: $ P = \frac{F}{A} $ که در آن P فشار، F نیرو و A مساحت سطح است. واحد فشار پاسکال⁸ است. وقتی در استخر به زیر آب میروید، فشار آب را روی پردهٔ گوش خود احساس میکنید؛ هر چه عمق بیشتر باشد، فشار آب هم بیشتر است.
دبی⁹ (آهنگ جریان): به حجم شارهای که در واحد زمان از یک مقطع میگذرد، گفته میشود. اگر شیر آب را کم باز کنید، دبی آب کم است و اگر کامل باز کنید، دبی زیاد میشود. در یک رودخانه، در نقاط باریکتر، سرعت آب (و در نتیجه دبی حجمی مشخص) بیشتر میشود.
شاره در حرکت: آیرودینامیک و هیدرودینامیک
مطالعهٔ شارههای در حال حرکت، شاخهای جذاب از فیزیک به نام مکانیک شارهها¹¹ است. وقتی موضوع حرکت گازها (مخصوصاً هوا) باشد، به آن آیرودینامیک¹² و وقتی حرکت مایعات (مانند آب) باشد، به آن هیدرودینامیک¹³ میگویند.
بال هواپیما را در نظر بگیرید. شکل مقطع آن به گونهای طراحی شده که هوای روی بال سریعتر از هوای زیر بال حرکت کند. طبق اصل برنولی¹⁴، در یک جریان افقی، افزایش سرعت شاره با کاهش فشار همراه است. بنابراین فشار در بالای بال کمتر از فشار در زیر بال میشود و این تفاوت فشار، نیروی برآ¹⁵ ایجاد میکند که هواپیما را به بالا میکشد. فرمول سادهسازی شدهٔ برنولی به این شکل است: $ P + \frac{1}{2} \rho v^2 = \text{ثابت} $ که در آن P فشار، ρ چگالی شاره و v سرعت آن است.
کاربردهای شارهها: از رگهای خونی تا موتور خودرو
شارهها در بدن ما، خانههایمان، شهرها و صنعت حضور دارند. درک رفتار آنها به ساخت وسایل حیاتی کمک کرده است.
در بدن موجودات زنده: خون یک مایع حیاتی است که در رگها جریان دارد و مواد غذایی و اکسیژن را به سلولها میرساند. سیستم گردش خون نمونهای کامل از کاربرد اصول جریان شاره (فشار و دبی) در طبیعت است.
در صنعت و حملونقل: نفت و گاز طبیعی از طریق خطوط لوله (لولهکشی) که طول آنها به هزاران کیلومتر میرسد، انتقال مییابند. در موتورهای درونسوز، مخلوط هوا و سوخت (یک شارهٔ گازی) متراکم و مشتعل میشود تا نیرو تولید کند. توربینهای بادی و آبی نیز با استفاده از انرژی جنبشی شارههای متحرک (هوا و آب)، برق تولید میکنند.
در زندگی روزمره: وقتی با نی نوشابه مینوشید، با کاهش فشار در دهانهٔ نی (به وسیلهٔ مکش)، فشار هوای بالای نوشابه آن را به سمت بالا و به داخل نی میراند. سیستم لولهکشی آب و گرمایش مرکزی خانه نیز بر اساس اصول جریان و انتقال حرارت در شارهها کار میکنند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. سرعت جریان یک شاره به ویژگیای به نام ویسکوزیته¹⁶ (گرانروی) بستگی دارد. ویسکوزیته معیاری برای میزان مقاومت یک شاره در برابر جریان است. عسل ویسکوزیته بالایی دارد و به آرامی جاری میشود، در حالی که آب ویسکوزیته پایینی دارد و به سرعت جریان مییابد. هوا نیز ویسکوزیته بسیار پایینتری نسبت به عسل دارد.
پاسخ: در بسیاری از اصول پایه (مانند انتقال فشار در همهٔ جهات) مشترکات زیادی دارند. اما یک تفاوت کلیدی، تراکمپذیری است. گازها به راحتی متراکم و منبسط میشوند، در حالی که مایعات عملاً تراکمناپذیرند. این تفاوت در طراحی سیستمهای مختلف بسیار مهم است. مثلاً در هیدرولیک (سیستمهای مبتنی بر مایع تحت فشار) از روغن استفاده میشود، نه هوا، زیرا روغن تراکمناپذیر است و نیرو را به طور مؤثر و فوری منتقل میکند.
پاسخ: دلیل اصلی، فشار هیدرواستاتیک¹⁷ است. فشار در یک مایع ساکن با عمق (فاصله از سطح آزاد) افزایش مییابد. مخزن آب ساختمان معمولاً در ارتفاع قرار دارد. آب موجود در لولهها ستونی از آب را تشکیل میدهد. در طبقهٔ همکف، ارتفاع این ستون آب بیشتر است، بنابراین فشار ناشی از وزن آن بیشتر است. در طبقات بالا، ارتفاع ستون آب کمتر شده و فشار کاهش مییابد. فرمول فشار هیدرواستاتیک: $ P = \rho g h $ که در آن ρ چگالی مایع، g شتاب گرانش و h عمق است.
پاورقی
¹ شاره (Fluid). ² مایعات (Liquids). ³ گازها (Gases). ⁴ جریانپذیری (Flowability). ⁵ تراکم پذیری (Compressibility). ⁶ چگالی (Density). ⁷ فشار (Pressure). ⁸ پاسکال (Pascal, Pa). ⁹ دبی (Flow Rate). ¹⁰ نیروی شناوری (Buoyant Force). ¹¹ مکانیک شارهها (Fluid Mechanics). ¹² آیرودینامیک (Aerodynamics). ¹³ هیدرودینامیک (Hydrodynamics). ¹⁴ اصل برنولی (Bernoulli's Principle). ¹⁵ نیروی برآ (Lift Force). ¹⁶ ویسکوزیته (Viscosity). ¹⁷ فشار هیدرواستاتیک (Hydrostatic Pressure).
