ثلاث شخصيات مساهمة في ميكانيكا الموائع
الموضوع فائز بمركز اول
تعريف هندسة الموائع واقسامها
المائع هو مصطلح يطلق على المواد التي لا شكل لها من تلقاء نفسها، وانما تأخذ شكل الوعاء الذي يحتويها وتكون قابلة للسريان والجريان. وهذه صفات لا تنطبق الا على المواد السائلة والمواد الغازية. اضافة الى التشابه الكبير بينها في خواصها الفيزيائية كاللزوجة والكثافة والتأثر بالحرارة او الضغط. وقد وُجد علم هندسة الموائع، او ما يُعرف باسم ميكانيكا الموائع لدراسة الخصائص الفيزيائية لهذه المواد والقوى المؤثرة عليها سواء في حالة السكون (استاتيكا الموائع) او دراستها في حالة الحركة (ديناميكا الموائع)، ودراسة علاقتها مع محيطها وتأثرها به سواء كان هذا المحيط صلبا او مائعا.
مثال: تنخفض لزوجة السائل كلما ارتفعت حرارته, بينما ترتفع لزوجة الغاز مع ارتفاع حرارته.
وفي الواقع فان هندسة الموائع ما هي الا فرع من علم الميكانيكا، وهو أقدم علم فيزيائي يتعامل مع كل الأنظمة سواء الثابتة او المتحركة وتأثير القوى عليها. وعلى أساس ذلك ندرك ان الاستاتيكا (Statics)، والتي تعني السكون وهو المجال الذي يهتم بدراسة النظام الفيزيائي في حالة السكون او الاستقرار، والديناميكا (Dynamics)، والذي يعني الحركة وتهتم بدراسة تأثير القوى على حركة النظام، ان المصطلحين ليسا الا فرعي علم الميكانيكا ولا يختصان بالموائع فقط.
واما (ميكانيكا الموائع ) فانها تُقسم الى عدة فئات. عادة ما يشار الى دراسة حركة الموائع غير القابلة للضغط عمليا، (مثل الماء والغازات عند السرعة المنخفضة) على انها هيدرودينامكية. وبدورها فان الهيدروديناميكية تنقسم الى:
- هيدروليكا (Hydrodynamics)، علم حركة السوائل: وهو الفرع الذي يهتم بدراسة هندسة السوائل وخواصها وتأثير القوى عليها.
- الديناميكا الهوائية ( Aerodynamics): وهو الفرع الذي يهتم بدراسة تأثير القوى على الجسم اثناء حركته في بيئة غازية او هوائية، مثل تحليق الطائرات في الهواء وقوى السحب والرفع.
أهمية دراسة الموائع
ان اهمية دراسة الموائع ووضع الاسس والمبادئ المتعلقة بها ما هي الا نتيجة لدورها في كل مجالات حياتنا. فاننا عندما نتحدث عن المائع انما نتحدث عن الاستخدامات المنزلية من تدفئة وتبريد وتهوية وتصريف للمياه بعد استخدامها الى الصناعة وبناء المساكن ومنشئات البنى التحتية الى طرق توليد الكهرباء والحصول عليها من الماء والهواء.
يمكننا أيضا أن نرى العديد من تطبيقات ميكانيكا الموائع في السيارات. جميع المكونات المرتبطة بنقل الوقود من خزان الوقود إلى الأسطوانات - خط الوقود، مضخة الوقود، حاقن الوقود، بالإضافة إلى خلط الوقود والهواء في الأسطوانات وتطهير غازات الاحتراق في أنابيب العادم يتم تحليلها باستخدام ميكانيكا السوائل. كما تستخدم ميكانيكا الموائع في تصميم نظام التدفئة وتكييف الهواء، والفرامل الهيدروليكية، وناقل الحركة الأوتوماتيكي، ونظام تبريد كتلة المحرك بما في ذلك المبرد ومضخة المياه، وحتى الإطارات. إن الشكل الانسيابي الأنيق للسيارات النموذجية الحديثة هو نتيجة الجهود المبذولة لتقليل السحب باستخدام تحليل شامل للتدفق على الأسطح..
بل ابعد من ذلك تعلب ميكانيكا الموائع دورا حيويا في جسم الانسان. يضخ القلب الدم باستمرار الى جميع أجزاء الجسم البشري من خلال الشرايين والاوردة، كما يتدفق الهواء من والى الرئتين في اتجاهات متناوبة. وغني عن القول ان القلب الاصطناعي وأجهزة التنفس وأنظمة غسيل الكلى مصممة على أساس مبادئ ديناميكا الموائع.
شخصيات مساهمة
ولكل علم رجاله الذين قننوا اسسه وبذلوا جهودا مضنية في بنائه وتطويره. فغاليلو ونيوتن واينشتاين اول من نفكر بهم اذا دار الحديث عن الفيزياء, والخوارزمي اذا ما تحدثنا عن الرياضيات وبالاخص علم الجبر. وكذلك الحال مع هندسة الموائع, فان لهذا العلم رجاله الذين افنوا حياتهم في دراسة خواص الموائع فكان لهم الباع الاطول لوصول هذا العلم الى ما هو عليه اليوم. فالحديث هنا يدور عن الفرنسي جان فورييه ومساهماته في دراسة انتقال الحرارة من جسم لاخر حتى صار صاحب الفضل في اكتشاف حالة البيت الزجاجي. او الايرلندي اوزبورن رينولدز والذي عكف على دراسة جريان الموائع وانواعه ليضع لاحقا عددا لا بعديا سمي باسمه يشير الى العلاقة ما بين القوى الداخلية للمائع وما بين قوة لزوجته, او الالماني نوسلت الذي وضع عددا لا بعديا للعلاقة ما بين انتقال الحرارة بالحمل وبين انتقالها بالتوصيل.
ولكن في هذا البحث سوف لن يكون الحديث عن هؤلاء الرجال، وانما سنتعرف على ثلاثة ممن كرّسوا حياتهم في دراسة مجالات هندسة الموائع وتطويرها, ولكن لسبب او لاخر لم ينالوا شهرة واسعة ولم يسمع بهم الا القليل.
Jean-Baptiste Biot
(1774-1862)
لنفترض ان جسما غُمر في أحد الموائع ، فان تدفق الحرارة بين الجسم والمائع تكون اما بالحمل الحراري، حيث تنتقل الحرارة ما بين سطح الجسم ومحيطه المائع، واما بالتوصيل حيث تنتقل الحرارة داخل الجسم المشار اليه. ولكن كيف نعرف أي تدفق أسرع من الثاني؟
مثال: التبادل الحراري ما بين الجسم ومحيطه المائع, وفي الاسفل قانون عدد بيوت.
ان فضل معرفة جواب هذا السؤال يعود الى جهود الفرنسي (جان بابتيست بيوت) المولود في باريس سنة 1774. اذ قام بيوت بوضع قانون لقياس النسبة ما بين التوصيل الحراري بين الجسم والمائع الحمل الحراري داخل الجسم نفسه، أُطلق على هذه النسبة اسم (عدد بيوت). فمتى ما كانت قيمة عدد بيوت اقل من 0.1 فهذا يعني ان التوصيل الحراري داخل الجسم أسرع من تدفق الحرارة بالحمل بين الجسم والمائع.
على الرغم من صغر سنه عمل عالم الرياضيات والفيزياء جان بيوت على تحليل التوصيل الحراري حتى قبل العالم الشهير فورييه، وحاول دون جدوى التعامل مع مشكلة تأثير الحمل الخارجي في التوصيل الحراري الداخلي. ألا انه عام 1807 تمكن فورييه من حل هذه المعضلة بعد ان اطلع على اعمال بيوت.
في عام 1804 رافق بيوت العالم الفرنسي الشهير غي لوساك في رحلة على متن اول منطاد مخصص للأغراض العلمية.
وفي عام 1820 وبعد عدة تجارب توصل بيوت بالاشتراك مع فيليكس سافارت الى ما يعرف بـ (قانون بيوت- سافارت) الذي يوضح العلاقة بين التيار المار في سلك والمجال المغناطيسي الناتج عنه عند أية نقطة في الفراغ.
لقد كان بيوت مهتما بشكل خاص بدراسة استقطاب الضوء، ومن اجل إنجازاته في هذا المجال حصل على وسام رمفورد من الجمعية الملكية للعلوم في عام 1840.
Ludwig Prandtl
(1875-1953)
من فرنسا الى المانيا، ومن القرن الثامن عشر الى القرن العشرين، حيث نتعرف المهندس وعالم الفيزياء الألماني لودفيك برانتل, المشهور بانجازاته في مجال الطيران. ان اكتشافه للطبقة الحدودية التي تجاور سطح الجسم المتحرك في أحد الموائع أدى الى فهم احتكاك الموائع مما ساهم بتطوير سحب اجنحة الطائرات وغيرها من الاجسام المتحركة في بيئة مائعة. منذ بدايات العقد الثاني من القرن المنصرم اصحبت اعمال برانتل والتقدم الهائل في تطوير فهم طبقة الحدود ونظريات الجناح، أصبحت تشكل المادة الأساسية للعلوم التطبيقية في مجال الملاحة الجوية. كما ساهمت تلك الإنجازات بشكل مهم في تطوير أنفاق الرياح وغيرها من معدات الديناميكية الهوائية.
Thomas Edward Stanton
(1865-1931)
هو مهندس بريطاني من مواليد عام 1865. كان أحد الذين درسوا تحت اشراف عالم الفيزياء الأيرلندي الشهير اوزبورن ريندلوز قبل ان يعمل في مختبره في الفترة بين 1891 و1896. وتقريبا في الفترة ذاتها عمل أيضا أستاذا مقيما في الرياضيات والهندسة في احدى جامعات مدينة مانشستر البريطانية، قبل ان يحصل على منصب كبير المحاضرين في الهندسة في جامعة ليفربول بين 1896 و1899, ومن ثم انتقل الى جامعة برستل كاستاذ في الهندسة.
كان مجال ستانتون الرئيسي هو تدفق الموائع ودراسة الاحتكاك ومسائل انتقال الحرارة. ففي مطلع القرن العشرين نفذ ستانتون أكبر برنامج بحثي لدراسة تأثير قوى الرياح على الهياكل مثل الجسور والسقوف. وبعد عام 1908, وهو العام الذي قام فيه الاخوان رايت بأول رحلة لهما بالطائرة في اوربا، كرّس ستانتون جهوده لحل مشاكل تصاميم الطائرات والمنطاد والية تبديد الحرارة من المحركات المبردة بالهواء.
المصادر المطبوعة:
- كتاب Heat and Mass Transfer تأليف Cenger & Ghajar
- كتاب Fluid Mechanics تأليف Cenger& Ghajar
- كتاب ميكانيكا الموائع, اساسيات الحراريات والموائع
هذا الموضوع حصري لمنتديات درر العراق, وخاص لمسابقة (شخصيات مساهمة)
مواضيع اخرى قد تهمك:
- اهم علماء ميكانيكا الموائع
- انتقال الحرارة بالتوصيل
- انتقال الحرارة بالحمل
- قوانين الديناميكا الحرارية
رد مع اقتباس
المشاركة الأصلية كتبت بواسطة Haidar Iraq
