الصف الثاني الثانوي - فيزياء
الوحدة الثانية: خواص الموائع الساكنة والمتحركة
ديناميكا الموائع: مفهوم السريان الهادئ وخصائص خطوط الانسياب وشروط الاستقرار
انقر على أي جملة للاستماع إليها مباشرة 👆
تعد الموائع (السوائل والغازات) من أهم الحالات الفيزيائية للمادة التي تتميز بقابليتها للانسياب والجريان لعدم ثبوت شكلها. وعند دراسة حركة الموائع في الأنابيب والقنوات المغلقة، نميز بين نوعين رئيسيين من السريان: السريان المستقر (الهادئ أو الطبقي) والسريان المضطرب (الدوامي). ويمثل مسار أي جسيم من جسيمات المائع أثناء سريانه المستقر خطاً وهمياً يسمى 'خط الانسياب'. وتتحدد سرعة السريان عند أي نقطة بمقدار واتجاه المماس لخط الانسياب، وتزداد السرعة حيث تتزاحم هذه الخطوط وفق القوانين الفيزيائية المعتمدة في النماذج الوزارية الرسمية.
1. خطوط الانسياب وخصائصها الهندسية
خطوط وهمية متصلة توضح المسار الفعلي لجسيمات المائع الهادئ.
- لا تتقاطع أبداً: لأن لكل جسيم مساراً واتجاهاً وحيداً عند أي نقطة في اللحظة الزمنية.
- تحديد اتجاه السرعة: اتجاه المماس لخط الانسياب عند أي نقطة يحدد اتجاه السرعة اللحظية v.
- كثافة خطوط الانسياب: عدد خطوط الانسياب التي تمر عمودياً بوحدة المساحات يمثل سرعة المائع.
- علاقة عكسية مع المساحة: تتزاحم خطوط الانسياب في الأجزاء الضيقة وتتباعد في الأجزاء المتسعة.
2. الشروط الفيزيائية للسريان المستقر (الهادئ)
المعايير الأربعة التي تضمن جرياناً طبقياً خالياً من الدوامات.
- ثبات سرعة المائع: ثبات سرعة السريان عند أي نقطة معينة بمرور الزمن (وإن تغيرت من نقطة لأخرى).
- امتلاء الأنبوبة تماماً: أن يملأ المائع الأنبوبة بالكامل ولا توجد فراغات هوائية أو تجاويف.
- عدم قابلية الانضغاط: ثبات كثافة المائع ρ على طول مسار السريان (المائع غير قابل للانضغاط).
- انعدام الاحتكاك والدوامات: مائع عديم اللزوجة أو قليل اللزوجة لا تتكون فيه دوامات حلزونية.
مقارنة علمية بين السريان الهادئ والسريان المضطرب
| وجه المقارنة | السريان الهادئ (المستقر / الطبقي) | السريان المضطرب (الدوامي) |
|---|---|---|
| طبيعة حركة الطبقات | تنزلق الطبقات بنعومة وسلاسة متوازية دون تداخل. | تتداخل الجسيمات وتتحرك في مسارات عشوائية حلزونية. |
| السرعة الحرجة | تكون سرعة المائع أقل من السرعة الحرجة (v < vc). | تتجاوز سرعة المائع السرعة الحرجة بكثير (v > vc). |
| الدوامات الصوتية | سريان صامت خالٍ تماماً من الدوامات والفقاعات. | تصاحبه دوامات دائرية وتيارات متقاطعة وأصوات هدر واضحة. |
ورشة التطبيقات الفيزيائية والمسائل المنهجية (8 تدريبات متدرجة)
لأنه لو تقاطعت لكان لنقطة التقاطع أكثر من مماس، مما يعني أن لجسيم المائع أكثر من اتجاه للسرعة في اللحظة نفسها عند تلك النقطة، وهذا مستحيل فيزيائياً.
تدل كثافة خطوط الانسياب (عدد الخطوط العمودية على وحدة المساحات) على مقدار سرعة سريان المائع؛ فكلما زادت الكثافة زادت سرعة المائع.
كثافة خطوط الانسياب = عدد الخطوط / المساحة = 100 / 20 = 5 خطوط لكل سم^2 (أو 50,000 خط/م^2).
عندما تتجاوز سرعة السريان حداً معيناً يسمى 'السرعة الحرجة'، أو عند وجود انحناءات حادة وتغيرات مفاجئة وسريعة في مقطع الأنبوبة.
لأن ضيق فوهة الخرطوم يؤدي إلى تزاحم خطوط الانسياب في مساحة أصغر، مما يرفع كثافتها فتزداد سرعة خروج تيار الماء باندفاع قوي.
مائع تظل كثافته ρ وحجمه ثابتين تماماً مهما تغيرت الضغوط المؤثرة عليه أثناء جريانه، كما هو الحال في معظم السوائل عملياً.
لا يتغير عددها الكلي؛ لأن كتلة المائع محفوظة ومستمرة، وإنما تتغير كثافتها فقط (تتزاحم في الضيق وتتباعد في المتسع).
جريان الدم في الأوعية والشرايين السليمة لجسم الإنسان، والتصميم الانسيابي لهياكل الطائرات والسيارات السريعة لتقليل المقاومة واستهلاك الوقود.
اضغط على أي بطاقة لاكتشاف المعنى الدقيق، واضغط على أيقونة الصوت للاستماع للنطق:
المائع
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
كل مادة قابلة للانسياب ولا تتخذ شكلاً ثابتاً خاصاً بها كالسوائل والغازات
💡 إضاءة وتوضيح: مفهوم فيزيائي
السريان المستقر
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
سريان طبقي هادئ تنزلق فيه طبقات المائع بنعومة وسرعة ثابتة عند أي نقطة
💡 إضاءة وتوضيح: نوع سريان
السريان المضطرب
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
سريان دوامي تتقاطع فيه مسارات الجسيمات وتتكون دوامات تتجاوز السرعة الحرجة
💡 إضاءة وتوضيح: نوع سريان
خط الانسياب
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
خط وهمي يمثل المسار الحقيقي الذي يسلكه جسيم المائع أثناء حركته الهادئة
💡 إضاءة وتوضيح: عنصر هندسي
كثافة خطوط الانسياب
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
عدد خطوط الانسياب التي تمر عمودياً بوحدة المساحات وتدل على السرعة
💡 إضاءة وتوضيح: كمية قياسية
السرعة الحرجة
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
السرعة التي إذا تجاوزها المائع يتحول سريانه من هادئ إلى مضطرب
💡 إضاءة وتوضيح: حد فيزيائي
عدم الانضغاط
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
بقاء كثافة المائع ثابتة عند جميع النقاط ومهما تغير الضغط
💡 إضاءة وتوضيح: فرضية سريان
أنبوبة السريان
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
أنبوبة مساحتها متغيرة ومحاطة بخطوط انسياب لا يعبرها المائع للخارج
💡 إضاءة وتوضيح: نموذج تحليلي
المماس الرياضي
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
المستقيم الذي يمس خط الانسياب عند نقطة ويحدد اتجاه السرعة اللحظية
💡 إضاءة وتوضيح: متجه السرعة
الدوامات الحلزونية
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
تيارات دائرية مغلقة تتكون عند اضطراب السريان وتهدر طاقة الحركة
💡 إضاءة وتوضيح: ظاهرة هيدروديناميكية
اللزوجة
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
مقاومة السائل للانسياب وحركة طبقاته المتجاورة بعضها فوق بعض
💡 إضاءة وتوضيح: خاصية مميزة
حفظ الكتلة
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
المبدأ القائل بأن كتلة المائع التي تدخل الأنبوبة تساوي كتلة المائع الخارجة
💡 إضاءة وتوضيح: قانون بقاء
التزاحم والتباعد
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
تقارب خطوط الانسياب في المقاطع الضيقة وتباعدها في المقاطع المتسعة
💡 إضاءة وتوضيح: سلوك حركي
الضغط الديناميكي
اضغط لاكتشاف الدلالة والشرح 👆
الضغط الناشئ عن طاقة حركة المائع وسرعة تدفقه
💡 إضاءة وتوضيح: مفهوم هيدروليكي
اضغط على الإجابة لتتحقق من فهمك وتكتشف التفسير النموذجي فورياً:
1
أي من الخصائص التالية تنطبق تماماً على خطوط الانسياب في السريان الهادئ؟
2
اتجاه سرعة جسيم المائع عند أي نقطة على خط الانسياب يحدده:
3
إذا قلت مساحة مقطع أنبوبة سريان هادئ إلى النصف، فإن عدد خطوط الانسياب الكلي المارة:
4
الشرط الأساسي الذي يضمن بقاء السريان هادئاً مستقراً هو أن:
5
تتزاحم خطوط الانسياب في الأجزاء من الأنبوبة التي تتميز بـ:
6
النسبة بين عدد خطوط الانسياب في المقطع المتسع إلى عددها في المقطع الضيق لنفس الأنبوبة تساوي:
7
المائع المثالي الذي يفترض في دراسة السريان الهادئ يكون:
8
يقاس معدل سريان خطوط الانسياب في الأنبوبة بوحدة:
🎉 تهانينا يا بطل! أتممت جميع محطات الدرس بنجاح باهر وتستحق وسام التميز!