- English
- فارسی
درس مكانيك سيالات: پيشگفتار
پيشگفتار
علم مکانيک، پرسابقه‌ترين شاخه‌ي علم فيزيک است که به بررسي اجسام ساکن و يا در حال حرکت تحت اثر نيروهاي وارده مي‌پردازد. شاخه‌اي از علم مکانيک که به بررسي اجسام در حال سکون مي‌پردازد، استاتيک و شاخه‌اي که به مطالعه‌ي رفتار اجسام در حال حرکت مي‌پردازد، ديناميک ناميده مي‌شود. علم مکانيک سيالات زيرشاخه‌اي از مکانيک است که به مطالعه‌ي رفتار سيالات در حال سکون (استاتيک سيال)، سيالات در حال حرکت (ديناميک سيال) و اندرکنش سيالات با جامدات يا سيالات ديگر در مرزهاي مشترک بين آنها مي‌پردازد. چنانچه سيالات در حال سکون، حالت خاصي از سيالات در حال حرکت با سرعت صفر درنظر گرفته شوند، مي‌توان از واژه‌ي ديناميک سيالات به جاي مکانيک سيالات استفاده كرد.
علم مکانيک سيالات به دو دليل مورد توجه مهندسين و محققين قرار دارد. اولاً انسان را قادر به درک پديده‌هاي جذاب موجود در طبيعت مي‌كند و ثانياً توانايي شبيه‌سازي رفتار سيال و ساخت دستگاه‌هايي براي راحتي زندگي را در اختيار انسان قرار مي‌دهد. براي مثال، از چگونگي پرواز پرندگان در آسمان و شناکردن ماهي‌ها در آب به کمک علم مکانيک سيالات، مي‌توان به يافته‌هايي از قبيل شکل خاص بدن پرندگان و ماهي‌ها که شبيه خطوط جريان است و همچنين نيروي اعمالي بر اجسام غوطه‌ور، کنش و اندرکنش وارده از محيط اطراف جسم بر آن، پي برد. کاربرد عملي اين يافته‌ها در شبيه‌سازي بدنه‌ي هواپيما بر اساس خطوط جريان، وسايل نقليه، قايق‌ها، ساختمان‌ها و پايه‌هاي پل‌ها به‌منظور بالابردن راندمان اين اجسام، محقق مي‌شود. از مثال‌هاي ديگر مي‌توان به شبيه‌سازي عملکرد قلب در بدن و سيستم گردش خون اشاره کرد که نمود آن در سيستم‌هاي پمپاژ و توزيع آب به‌خوبي نمايان است.
قدمت علم مکانيک سيالات در قالب فرم تجربي آن به دوران ماقبل تاريخ برمي‌گردد. در آن زمان به‌منظور امورکشاورزي و توسعه‌ي دهکده‌ها، انتقال مداوم غذا و کالاها از مهم‌ترين نيازها به‌شمار مي‌آمد. در آن زمان شاخه‌ي تجربي علم مکانيک سيالات که هيدروليک ناميده مي‌شد، در کانال‌هاي آب و کشتي‌ها متبلور گرديد. آثار تاريخي کانال‌هاي آبياري در مصر و بين النهرين با قدمتي بيش از 4000 سال قبل از ميلاد نمايان است. آثار آبرساني شهري ابتدا در کشور يونان نمايان شد. رومي‌ها نيز کانال‌هايي در سراسر امپراطوري خود احداث كردند که آثاري از آن در کشور ايتاليا نمايان است. همچنين، آثار نقاشي کشتي بر روي کوزه‌هاي قديمي يوناني با قدمتي بيش از 2500 سال قبل از ميلاد اين حقيقت را روشن مي‌کند که در آن زمان نيز کشتي وجود داشته است. بعضي از دست‌نوشته‌هاي ارشميدس در خلال سال‌هاي 212 تا 287 قبل از ميلاد که براي اولين بار نظريه‌ي شناوري و هيدرواستاتيک را بيان كرد نيز نشان‌دهنده‌ي توجه به علم مکانيک سيالات بوده است.
در خلال قرن هجدهم، شاخه‌ي ديگري از مکانيک سيالات تحت عنوان هيدروديناميک معرفي گرديد که در آن به جنبه‌هاي تئوريکي و رياضي حرکت سيالات پرداخته مي‌شد. به‌عنوان مثال، معادلات کامل جريان سيال غيرلزج (بدون اصطکاک) توسط اويلر ارايه گرديد. با وجود اين به‌دليل فرضيات موجـود، نتايـج حاصـل از اين روابـط با نتايـج حاصـل از مشاهـدات آزمايشگاهـي بسيـار متفـاوت بود. به‌همين دليل در قرن نوزدهم دانشمندان تلاش‌هايي براي ارتقاي اين شاخه از علم مکانيک سيالات كردند که در نهايت، نتيجه‌ي اين تلاش‌ها، بسط رابطه‌ي حرکت سيال لزج توسط ناوير و استوکس بود. متأسفانه به‌دليل ماهيت غيرخطي معادلات ديفرانسيلي جزيي ناوير- استوکس، يافتن راه حل تحليلي براي جريان‌هاي عمومي کار آساني نيست و تنها براي حالت‌هاي خاصي از جريان، مانند حرکت جريان آرام بين دو صفحه‌ي موازي و در لوله، حل تحليلي به‌دست آمده است.
در سال 1869 مقاله‌ي مهمي انتشار يافت که علم هيدروليک و هيدروديناميک را به‌هم متصل كرد. اين گزارشي بود که در آن فيزيک‌دان آلماني به‌نام کيرشف به‌صورت تحليلي ضريب انقباض جت خروجي در يک روزنه‌ي دو‌بعدي را برابر 611/0 به‌دست آورد که با نتايج آزمايشگاهي همخواني زيادي داشت. با توجه بهاينکه مقاديري نزديک به مقادير واقعي با استفاده از علم هيدروديناميک به‌دست آمد، اين موضوع باعث شد تا دانشمندان به اين شاخه از علم مجدداً روي آورند.
در سال 1904 نيز مقاله‌ا‌ي کلاسيک توسط پروفسور آلماني به‌نام پرندتل ارايه شد که در آن به مفهوم لايه‌ي مرزي سيال اشاره شده بود. ايده‌ي پرندتل اين بود که همواره در نزديکي مرز جامد، يک لايه‌ي نازک از سيال وجود دارد که در آن اصطکاک سيال قابل توجه است، ليکن خارج از مرز اين لايه، رفتار سيال مانند سيال بدون اصطکاک است. اين مفهوم نسبتاً ساده، انگيزه‌هاي زيادي را براي آشکار کردن موارد متناقض بين هيدروليک و هيدروديناميک ايجاد كرد. لازم بهذکر است که پرندتل به‌عنوان پايه‌گذار مکانيک سيالات پيشرفته معرفي شده است.
در حال حاضر با توجه به پيشرفت الکترونيک و پيدايش رايانه‌هايي با سرعت پردازش بالا، حل معادلات غيرخطي توسط روش‌هاي عددي امکان‌پذير گرديده و موانع بين علم هيدروليک و علم هيـدروديناميک کامـلاً برداشتـه شـده اسـت و احتمـالاً بايـد شاهـد يک جهـش بـزرگ در ايـن زمينه بود.