اصل برنولی: راز پرواز و جریان سیالات
سیال چیست و اصل برنولی چه می‌گوید؟
برای درک اصل برنولی، اول باید بدانیم سیال۶ چیست. به موادیتی که بتوانند جاری شوند و شکل ظرف خود را بگیرند، سیال می‌گوییم. آب، هوا، روغن و حتی عسل همگی سیال هستند. اصل برنولی به ما می‌گوید وقتی یک سیال تراکم‌ناپذیر۷ و ایده‌آل (یعنی اصطکاک داخلی ندارد) در یک مسیر ثابت جریان دارد، بین سرعت، فشار و ارتفاع آن یک رابطه‌ی مشخص برقرار است.
$ P + \frac{1}{2} \rho v^2 + \rho g h = \text{ثابت} $
در این فرمول:
• P فشار سیال است.
• ρ (رو) چگالی۸ سیال است.
• v سرعت سیال است.
• g شتاب گرانش است.
• h ارتفاع است.
این فرمول به زبان ساده می‌گوید: در یک خط جریان، اگر سرعت سیال افزایش پیدا کند، فشار آن کاهش می‌یابد و برعکس. همچنین، سیال در ارتفاع بالاتر، فشار کمتری دارد. این سه مقدار با هم جمع می‌شوند و همیشه یک عدد ثابت را در طول مسیر جریان به دست می‌دهند.
رابطه سرعت و فشار: قلب اصل برنولی
مهم‌ترین بخش اصل برنولی که کاربردهای زیادی دارد، رابطه‌ی معکوس بین سرعت و فشار است. فرض کنید یک شلنگ آب دارید. اگر با انگشت خود قسمت ابتدای نوک شلنگ را کمی فشار دهید تا مسیر باریک‌تر شود، چه اتفاقی می‌افتد؟ آب با سرعت بیشتری خارج می‌شود! طبق اصل برنولی، در همان قسمت باریک‌شده، سرعت آب زیاد شده است، در نتیجه فشار آب در آن ناحیه کاهش یافته است.
| شرایط | تغییر سرعت | تغییر فشار | مثال ساده |
|---|---|---|---|
| مسیر جریان باریک می‌شود | افزایش | کاهش | فشردن نوک شلنگ |
| مسیر جریان گشاد می‌شود | کاهش | افزایش | ورود به یک استخر بزرگ |
کاربردهای شگفت‌انگیز اصل برنولی در زندگی روزمره
شاید باور نکنید، اما اصل برنولی هر روز در اطراف ما در حال رخ دادن است. در این بخش با چند نمونه آشنا می‌شویم.
پرواز هواپیما: بال هواپیما طوری طراحی شده که هوای روی بال مسافت بیشتری را نسبت به هوای زیر بال طی کند. در نتیجه، سرعت هوا در بالای بال بیشتر و فشار آن کمتر از زیر بال است. این اختلاف فشار، یک نیروی رو به بالا به نام برآ۹ ایجاد می‌کند که هواپیما را از زمین بلند می‌کند.
افشانه‌ها (اسپری‌ها): در یک قوطی افشانه، وقتی شما هوا را با سرعت از روی یک لوله‌ی باریک می‌دمید، طبق اصل برنولی، در آن ناحیه فشار کاهش می‌یابد. این کاهش فشار، مایع داخل لوله را به سمت بالا می‌مکد و آن را به ذرات ریز تبدیل می‌کند.
توپ والیبال ساحلی: اگر یک توپ سبک والیبال را در هوا رها کنید و همزمان یک جت قوی هوا در کنار آن بدمید، توپ به سمت جریان هوا کشیده می‌شود! چون سرعت هوا در کنار توپ زیاد و فشار کم است، اما در طرف دیگر توپ فشار هوا عادی است. این اختلاف فشار، توپ را به داخل جریان هوا هل می‌دهد.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاورقی
۱ اصل برنولی (Bernoulli's Principle) - این اصل توسط دنیل برنولی، دانشمند سوئیسی، در قرن هجدهم میلادی ارائه شد.
۲ فشار (Pressure) - نیروی وارد بر واحد سطح.
۳ سرعت (Velocity) - میزان تندی و جهت حرکت سیال.
۴ ارتفاع (Height) - فاصله‌ی عمودی از یک سطح مبنا.
۵ افشانه (Sprayer) - وسیله‌ای که مایع را به ذرات ریز تبدیل و پخش می‌کند.
۶ سیال (Fluid) - ماده‌ای که تحت اثر تنش برشی به راحتی جاری می‌شود و شکل ظرف خود را می‌گیرد.
۷ تراکم‌ناپذیر (Incompressible) - سیالی که چگالی آن تحت فشار تغییر چندانی نمی‌کند، مانند آب.
۸ چگالی (Density) - جرم یک ماده در واحد حجم.
۹ برآ (Lift) - نیروی آیرودینامیکی که در جهت عمود بر جریان سیال بر یک جسم وارد می‌شود.
۱۰ تراکم‌پذیر (Compressible) - سیالی که چگالی آن تحت فشار به طور محسوسی تغییر می‌کند، مانند گازها.
