شاره: دنیای جاری ماده
شاره چیست و چه انواعی دارد؟
هر مادهای که بتواند جاری شود و شکل ظرف خود را بگیرد، یک شاره1 است. برخلاف جامدات که شکل ثابتی دارند، مولکولهای شاره میتوانند به راحتی روی هم بلغزند. این ویژگی باعث میشود شارهها بتوانند در لولهها جریان یابند، چرخهای توربین را بچرخانند و حتی هواپیما را در آسمان نگه دارند.
شارهها به دو دستهٔ اصلی تقسیم میشوند:
| ویژگی | مایع (مانند آب، روغن) | گاز (مانند هوا، هلیوم) |
|---|---|---|
| حجم ثابت | بله (تراکمناپذیر2 تقریبی) | خیر (تراکمپذیر3) |
| شکل ثابت | خیر (شکل ظرف را میگیرد) | خیر (کل فضای در دسترس را پر میکند) |
| مثال ساده | آبی که در لیوان ریخته میشود. | بادی که بادکنک را باد میکند. |
خواص کلیدی و قوانین حاکم بر شارهها
برای درک رفتار شارهها، باید با چند ویژگی و قانون اصلی آشنا شویم.
اصل پاسکال5: فشار وارد شده به یک شاره محبوس، بدون کاسته شدن به همه نقاط شاره و دیوارههای ظرف منتقل میشود. از این اصل در تجهیزات هیدرولیک مانند پرس قوی و ترمزهای ماشین استفاده میشود. اگر نیروی کوچکی به سطح کوچکی وارد کنید، همان فشار به سطح بزرگتری منتقل شده و نیروی بزرگتری تولید میکند.
گرانروی6 (ویسکوزیته): معیاری برای مقاومت شاره در برابر جاری شدن است. عسل گرانروی بالایی دارد و به کندی جریان مییابد، در حالی که آب گرانروی پایینی دارد. هوا نیز گرانروی بسیار کمی دارد، اما همین مقدار کم برای ایجاد پسا7 بر روی خودروها و هواپیماها کافی است.
از بال هواپیما تا سیستم لولهکشی خانه: کاربرد شارهها
شارهها پایه بسیاری از فناوریهای اطراف ما هستند. در اینجا به چند نمونه عملی و ملموس اشاره میکنیم:
پرواز پرندگان و هواپیماها: شکل مقطع بال هواپیما (ایر فویل8) طوری طراحی شده که هوای روی بال سریعتر از هوای زیر بال حرکت کند. طبق اصل برنولی9، در یک جریان سیال، با افزایش سرعت، فشار کاهش مییابد. بنابراین فشار در بالای بال کمتر از زیر بال شده و یک نیروی برآ10 به سمت بالا ایجاد میکند که وزن هواپیما را خنثی میکند.
سیستمهای گرمایش و سرمایش: در رادیاتور شوفاژ، آب داغ (یک شاره) در لولهها جریان یافته و گرمای خود را به هوای اتاق (شاره دیگر) منتقل میکند. در کولرهای آبی نیز آب در پوشالها جاری شده و با تبخیر شدن، هوای گذرنده را خنک میکند.
سیستم گردش خون بدن: خون یک شاره حیاتی است. قلب مانند یک پمپ عمل میکند و با ایجاد فشار، خون (که یک مایع است) را در رگها (لولهها) به جریان میاندازد تا اکسیژن و مواد مغذی را به سلولها برساند. پزشکان با اندازهگیری فشار خون، سلامت این سیستم شارهای را بررسی میکنند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. ماسه و شن از ذرات جامد مجزا تشکیل شدهاند. آنها شاره محسوب نمیشوند، بلکه رفتار تودهای شبیه به شاره دارند (مکانیک خاک). در یک شاره واقعی مانند آب، مولکولها پیوستگی دارند و میتوانند تنش برشی11 پیوستهای را منتقل کنند.
پاسخ: با مکیدن، هوای داخل نی را خارج میکنیم و فشار داخل نی کاهش مییابد. فشار هوای بیرون (فشار اتمسفر) که روی سطح مایع در لیوان است، بیشتر از فشار داخل نی میشود. این اختلاف فشار، مایع را به سمت بالا و به داخل نی میراند.
پاسخ: برخی مواد در شرایط خاص میتوانند خواص هر دو را نشان دهند. یک مثال جالب، خمیر دندان است. وقتی در حال سکون است مانند یک جامد میماند، اما وقتی فشار وارد میکنید (مثل فشردن تیوب)، مانند یک شاره جاری میشود. چنین موادی را شبهشاره12 یا دارای جریان پلاستیک مینامند.
پاورقی
1 شاره (Fluid): مادهای که تحت تأثیر تنش برشی به طور پیوسته تغییر شکل دهد.
2 تراکمناپذیر (Incompressible): چگالی آن با تغییر فشار، تغییر محسوسی نمیکند. مایعات تقریباً تراکمناپذیرند.
3 تراکمپذیر (Compressible): چگالی آن با تغییر فشار، به طور قابل توجهی تغییر میکند. گازها تراکمپذیرند.
4 چگالی (Density): جرم یک ماده در واحد حجم آن ($ \rho = m/V $).
5 اصل پاسکال (Pascal's Principle): توسط دانشمند فرانسوی بلز پاسکال فرمولبندی شد.
6 گرانروی یا ویسکوزیته (Viscosity): معیار اصطکاک داخلی لایههای شاره.
7 پسا یا درگ (Drag): نیروی مقاومتی که در مقابل حرکت یک جسم در شاره ایجاد میشود.
8 ایرفویل (Airfoil): شکل آیرودینامیکی مقطع بال یا پره.
9 اصل برنولی (Bernoulli's Principle): در جریان آرام و تراکمناپذیر یک شاره، افزایش سرعت جریان با کاهش فشار استاتیک همراه است.
10 نیروی برآ یا لیفت (Lift): نیروی عمودی رو به بالا که بر جسمی در حال حرکت در شاره وارد میشود.
11 تنش برشی (Shear Stress): نیروی مماسی وارد بر واحد سطح.
12 شبهشاره یا سیال غیرنیوتنی (Non-Newtonian Fluid): شارهای که گرانروی آن ثابت نبوده و به شرایط جریان بستگی دارد.
