اهم علماء ميكانيكا الموائع
بسم الله الرحمن الرحيم
تتشابه المواد الغازية والمواد السائلة فيما بينها بعدة امور, اهمها انها ليس لها شكل معين, بخلاف المواد الصلبة, وانما تاخذ شكل الوعاء الذي يحتويها. لهذا اطلق على السوائل والغازات اسم "الموائع".
كذلك فان الموائع تتشابه في خواصها الفيزيائية, كاللزوجة ومتغير سرعة الجريان وتأثرها بالحرارة. من هنا جاء علم "ميكانيكا الموائع" او هندسة الموائع لدراسة تلك الخواص الفيزيائية وتبادل التأثير ما بين الموائع وبين محيطها, سواء كان هذا المحيط مائعا ام صلبا.
كذلك فان لكل علم رجاله الذين وضعوا اسسه وتركوا علامات بارزة في مسيرة تطوره. فاذا ما تحدثنا عن الفيزياء مثلا فإننا نتحدث عن اينشتاين ونيوتن، وفي الفلسفة كان لسقراط وافلاطون ومن بعدهم ارسطو طاليس الأثر الواضح. ولا يخفى ما قدمه الخوارزمي للرياضيات حتى صار هذا العلم يقرن باسمه.
لم يشذ علم هندسة الموائع عن هذه القاعدة، فكغيره كان لهذا العلم رجاله الذين صنعوه وأصبحت المتغيرات والاعداد والقوانين التي وضعوها الركيزة الأساس في دراسة هذا العلم وفهمه واستخدامه في الحياة العملية وفي التطبيقات التي تخدم البشرية, خصوصا تلك التي تهتم بايجاد الطاقة النظيفة والمحافظة عليها.
بفضل الجهود التي بذلوها والتجارب التي قاموا بها أصبحنا قادرين على معرفة كم من الطاقة نحتاج لتسخين لتر واحد من الماء من درجة 10 الى درجة 50 مئوية. ليس من الصعب ان نعرف كم تستهلك السيارة من الوقود بسبب المرآة الجانبية إذا كان معدل السرعة 100 كم في الساعة وقطعنا مسافة 100 كم.
ان علم هندسة الموائع يدخل تقريبا في كل اقسام الهندسة. فهو العلم الذي نحتاجه عند بناء الانفاق وتهويتها ومد الجسور ومعرفة مقاومتها لعوامل الطبيعة. نحتاجه في بناء محطات الوقود وتسخين المياه. وفي منازلنا يمكن ان ينفعنا في موضوع العزل الحراري وكيفية عمل أجهزة التكييف ومفرغات الهواء وأجهزة التبريد كالثلاجة وغيرها.
كل ذلك بفضل جهود أولئك الرجال الذي خصصت هذا الموضوع لتسليط الضوء على بعض منهم، واخترت من بينهم خمسة هم الأكثر أهمية في هذا العلم لدرجة ان أسمائهم اقترنت بما قدموه وأصبحت الاعداد والقوانين تسمى بأسمائهم.
1. جيمس بريسكوت جول (James Prescott Joule)
من منا لم يسمع بوحدة قياس الطاقة الجول؟ تلك الوحدة التي يمكن ان تدخل حتى في قياس الطاقة في طعامنا، اذ ان السعرة الحرارية الواحدة تساوي 1.184 جول. لكن من منا يعرف من اين جاء هذا المصطلح؟ ان كلمة جول بحد ذاته ليس لها معنى سوى انها اسم لأشهر علماء الطاقة الإنكليزي جميس جول (1818 – 1889).
ان جول يعتبر مثالا للطموح وعدم الاستسلام، فهذا الرجل الذي لم يتلق أي تعليم أكاديمي استطاع بجهوده ان يخلد اسمه في التاريخ في صفوف اهم علماء الفيزياء والديناميكا الحرارية.
قبل جول كان بعض العلماء يعتقد ان الحرارة ليست الا مادة خاصة، او انها ـ كما يدعي بنيامين طومسون ـ ليست الا نوع من الحركة. لكن تجارب جول التي دامت لعشر سنوات واستخدم فيها الماء والزئبق فندت ذلك الاعتقاد وأثبتت ان الطاقة الحرارية ليست الا تحولا من الطاقة الميكانيكية.
كذلك اثبتت بحوث جول ـ بالتعاون مع صديقه واطسون، ان الغاز الذي يسمح له بالتوسع بحرية تنخفض درجة حرارته. هذا الاكتشاف أصبح بالغ الأهمية في نهاية القرن التاسع عشر، حيث أصبح من الممكن الحصول على درجات حرارة شديدة الانخفاض تصل الى ما دون الـ -250 درجة. كما يعتبر هذا القانون هو الأساس في صناعة أجهزة التبريد كالثلاجات وغيرها.
جول صاغ أيضا قانونا مهما في الحرارة الكهربائية، عرف باسم قانون جول، وينص على ان كمية الحرارة متناسبة مع المقاومة الكهربائية المضروبة في مربع التيار ووقت التدفق:
E=R*I^2*t
2. جان باتيست جوزيف فورييه (Jean Baptiste Joseph Fourier)
التوصيل الحراري مصطلح فيزيائي يعني ان تنتقل الحرارة من جسم حار الى جسم اقل حرارة عبر مادة، دون ان تنتقل نفس المادة. ومن خواصه ان هو يمكن ان عبر الاجسام الصلبة والسائلة والغازية، بخلاف الحمل الذي لا يحدث الا من خلال الغازات والسوائل. فلو امسكت بقضيب متصل بأحد طرفيه بجسم حار او مصدر للحرارة، كالنار مثلا، فان الحرارة ستنتقل من ذلك الجسم الى يدك عبر ذلك القضيب. تعتمد كمية الحرارة المنتقلة على عدة عوامل، منها قدرة القضيب على نقل الحرارة، اختلاف درجة الحرارة، مساحة سطح القضيب وكذلك الوقت. هذه العناصر يجمعها قانون يسمى بقانون فورييه:
Qcond= -K*A*(∆T/∆X)
الفرنسي جوزيف فوريه (1768-1830) احد اقطاب الفيزياء والرياضيات، اليه يعود الفضل باكتشاف حالة البيت الزجاجي. اذ انه من خلال الأبحاث والتجارب توصل الى ان الشمس هي المصدر الرئيسي للحرارة في كوكب الأرض وان اهم وظائف الغلاف الجوي هي العزل الحراري. اذ ان الغلاف الجوي يسمح لاشعة الشمس بالوصول الى الأرض ثم لا يسمح للحرارة بالخروج من الكوكب.
ابحاث فوريه شملت أيضا الرياضيات، فأنتجت متسلسلة فوريه والتي تنص على "ان أي دالة دورية مستمرة يمكن كتابتها على انها مجموعة دوال للجيب والجيب تمام بذات اتساع متفاوت، حيث يكون لكل دالة جيب تردد يكون مضاعفا لأدنى تردد في الدالة الدورية". وكذلك قدم فوريه الينا طريقة لتحويل أي دالة رياضية حقيقة الى دالة أخرى من نفس الطراز، سميت هذه الطريقة بـ "تحويل فوريه".
3. إسحاق نيوتن (Isaac Newton)
كان وما زال أبو العلوم الكلاسيكية، البريطاني إسحاق نيوتن (1642- 1727) من أعظم علماء الفلك والفيزياء والرياضيات الذين عرفهم التاريخ. اذ ان مساهماته في الرياضيات شملت تطوير نظرية ذات الحدين وحساب التفاضل والتكامل.
كما يقال انه ومن خلال مراقبته عام 1665 لسقوط تفاحة نحو الأرض ـ وعدم ارتفاعها للأعلى ـ استنتج فكرة الجاذبية ومبنى على أساسها قوانينه الثلاثة التي تحمل اسمه والتي وصفها في كتابه "الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية", دون ان يذكر حادثة التفاحة. كما اظهر نيوتن ان قوانين كلبر الثلاثة التي تتعلق بحركة الكواكب والنجوم يمكن ان تستمد من القانون الأول للجاذبية.
أيضا يعود لنيوتن الفضل في اكتشاف الطبيعة المركبة للضوء الأبيض وفصل الألوان المختلفة بالمنشور المشتت.
كذلك يعزى اليه قانون التبريد الذي ينص على "معدل فقدان الحرارة من جسم ما تتناسب طرديا مع الفرق بين درجات الحرارة في الجسم وفي البيئة المحيطة به". قد يكون قانون نيوتن هذا يشبه الى حد ما قانون فوريه الذي سبق ذكره، لكن الفرق ان قانون نيوتن للتبريد لا يصح الا في النقل الحراري عن طريق الحمل والذي لا يكون الا في السوائل والموائع، ولا يكون في المواد الصلبة. ان صيغة القانون هي كالتالي:
Qconv=h*As*∆T
4. أوزبورن رينولدز (Osborne Reynolds)
هناك نوعان من جريان الموائع. الأول هو جريان التدفق او الطبقي، والذي سمي بذلك لان المائع يجري في طبقات لا تختلط مع بعضها البعض بسبب سرعة الجريان البطيئة. ومن خواصه انه جريان منتظم جدا ولا يسبب تغير في خواص المائع.
في حين ان النوع الثاني والذي يسمى الجريان المضطرب فانه جريان فوضوي يسبب تغير خواص المائع باستمرار. وما يميزه انه ذو سرعة عالية. كما انه غالبا ما تحدث دوامات في مسار مجراه.
ان جريان أي مائع يعتمد على شكل السطح الذي يجري عليه وخشونته ودرجة حرارته. كما يعتمد على سرعة الجريان ونوع السائل وخواصه من اللزوجة وغيرها
بعد جهود وابحاث مكثفة لخواص الموائع وضع المهندس وعالم الفيزياء الأيرلندي رينولدز (1842 - 1912) عددا لا بعديا سمي لاحقا باسمه فأطلق عليه "عدد رينولدز" ويرمز اليه "Re". ان عدد رينولدز هو العلاقة ما بين القوى داخل المائع وقوة لزوجته.
Re=(القوة داخل المائع)/(قوة لزوجة المائع)= V*l/v
حيث ان V سرعة جريان المائع, و v قوة لزوجته والتي تساوي الكثافة على اللزوجة الحركية والتي يرمز اليها بـ u
ان لعدد رينولدز أهمية قصوى خصوصا في الصناعات الثقيلة كصناعة السفن والطائرات.
5. فيلهيلم نوسلت (Wilhelm Nusselt)
يعرف الانتقال الحراري بانه انتقال للطاقة الحرارية من جسم الى اخر بسبب اختلاف درجة الحرارة، بحيث تكون درجة الحرارة في كلا الجسمين واحدة بحسب قانون التوازن الحراري والمعروف باسم "قانون الترموديناميك رقم صفر". وبحسب القانون الثاني للترموديناميك فان الحرارة تنتقل من الجسم الساخن الى البارد وليس العكس.
يمكن للحرارة ان تنتقل بثلاث طرق: اما عن طريق التوصيل، والذي يمكن ان يحدث في المواد الصلبة وكذلك المائعة، او عن طريق التدفق وهو ما يعرف بالحمل الحراري، والذي لا يحدث من خلال الموائع، او عن طريق الاشعاع، والذي يمكن ان يحدث حتى في الفراغ كما تصلنا الحرارة من الشمس.
في حال انتقال الحرارة عبر سطح محاط بأحد الموائع فان الانتقال بالحمل والتوصيل تكون موازية لبعضها البعض. هذه العلاقة ـ او النسبة ـ بين هذين النوعين من الانتقال الحراري كانت من ابتكارات المهندس الألماني نوسلت (1882-1957) والذي وضع عددا لا بعديا سمي باسمه فاطلق عليه "عدد نوسلت" ويرمز اليه بـ "Nu"
Nu= الانتقال الحملي/ الانتقال بالتوصيل = h*L/k او h*D/k
حيث ان L طول السطح و D قطر السطح اذا كان دائري الشكل.
نلتقي في موضوع اخر
رد مع اقتباس
المشاركة الأصلية كتبت بواسطة علوش الذهبي
