مكانيك مايعات، هيدروليك و تحت فشارهوا

معرفي / انگيزه
مكانيك مايع مطالعه گازها و مايعات و عملكرد فيزيكي آنها و نقش آنها درسيستم مهندسي است. مايعات هرماه اززندگي مارافراميگيرند.
هوايي كه ما تنفس ميكنيم مهمترين سيال است. مطالعه مايعات سعي و تلاش مضاعف است و هدف از اين سعي و كوشش تفاوت بين همه انواع سيالات است كه كمك كننده ميباشد. دركل دو نوع سيال وجود دارد. اولين نوع مربوط به هيدروليك است. هيدروليك سيالات بعنوان مايعات شناخته شده است واين بدان معناست كه زماني كه سيال هيدروليكي نسبت به فشارموردهدف است هيچ تغييري رخ نميدهد. برعكس هيدروليك فشارهوا است. سيالات تحت فشارهوا گازهايي هستندكه تراكم هستند.

بعنوان مثال تغيير درفشارناشي از تغيير نسبي است. دراين مابين سيالات تحت فشارهوا و هيدروليك تمركز ميشويم. از نظر هيدروليك روي انرژي سيال متمركز هستند.hydrostatigs مارا در مفهوم نيروي شناوري هدايت ميكنندو اينكه چراو چطور درمايعات شناورند. براي آنها يي كه تحت فشار هوا هستند روي وسايل فيزيكي متمركز است و ما از كنترل انرژي صحبت ميكنيم.
اينچنين ابزاري شامل پمپ ها و دريچه ها هستند.
۱- پيش زمينه:

مكانيك سيال شايد قديمي ترين مفهوم فيزيك و مهندسي باشد. تمدن هاي قديم با كارهاي مشكلي چون مهاركردن و كنترل آب براي كشاورزي مواجه شدند. رشد كشاورزي مربوط به راههاي زيرزميني، سد، بند، پمپ ها و سيستم هاي پاشيدني است درحاليكه آب معرفي انسان مربوط به مزيت هايي درچشمه ها، منابع و سيستم هاي ذخيره آب است و آب مسافرين مربوط به كشتي ها و سفرهاي دريايي آبروديناميك و روش هايي براي تهيه آب است. عملكرد كلي سيالات براي بهبود و ترفيع كيفيت زندگي حتي براي زنده ماندن بشر هم

مهم است. ريشه و منشأ مكانيم سيالات در مهندسي و علوم گسترده است، مهندسي عمران به عنوان مثال از همان ابتدا نياز به سيستم سال و ساختارهاي آن داشت. تقريباً همه اصول و طرحهاي مهنسي ديگر هم شامل مطالعه مكانيك سيالات هستند. مهندسي مكانيك براي سوختن و احتراق و روغن كاري و سيستم هاي انرژي به سيالات نياز دارد. مهندسي هوانوردي هم به بررسي جريان گاز براي توليد انرژي مي پردازد و روي ساختارهاي پرواز متمركز است، حتي مهندسي الكتريكي هم از سيالات براي خنك كردن وسايل الكترونيك با جريان هوا استفاده مي كند.

۲- OTEACH:
شامل توسعه چيزي از سيستم هاي سيال است. در سطح C دانش جويان انتقال نيرو را با آب از طريق لوله و چرخ آبي نشان مي دهند گروههاي دانشجويي همچنين انتقال نيرو را با هوا يا استفاده و تجزيه و تحليل كردن سرنگ نشان مي دهند آنها همچنين دريچه ها به عنوان مكانيسم هايي براي كنترل جريان آب و هوا در سيستم مورد بحث قرار مي دهند و اين بطور خلاصه بيان شده است و شامل ايجاد يك وسيله اي است كه جابجا مي شود و ناشي از نيروي تحت فشار هوا است. شكل ۱-۴ ساختار و ساختمان درجه ۲ را نشان مي دهد بايد توجه كرد كه سيستم هاي سيال در نزديك سطح ماده C هستند و طرح black-box (جعبه سياه)، ساختار و سيستم و مكانيسم قبل از سيال است. اين مفاهيم در ايجاد مسائل و بوجود آوردن سيستم هايي كه تركيبي از سيال و ديگر مؤلغه هاي مكانيكي هستند استفاده مي شوند.

اصطلاح شناسي:
Hydraulic: مطالعه جريان سيالات (مايعات) است كه هيچ تغييري در چگالي ديده نمي شود.
تحت فشار هوا: به عنوان ديناميك گاز شناخته شده است مطالعه سيالاتي است كه تحت تغييرات مهم چگالي و غلظت هستند.
غلظت و چگالي: كيفيت توره در هر حجم است.

مايع: يك سيالي كه ساختار مولكولي آن فضاي بين ملكول بطور اساسي سازگار و هماهنگ است. اين نشان دهندة ان است كه توده داده شده از مايع حجم معيني از فضا را اشغال مي كند يك مايع شكل يك ظرف است.
گاز: سيالي كه بين مولكول ها است و هماهگ نيست. اما بيشتر از مايع است يك گاز بطور كامل به يك ظرف بسته را پر مي كند.
وزن معين: نماد : به عنوان نيروي جاذبه در هر واحد حجم سيال تعريف شده است (وزن هر واحد حجم). مثال: آب داراي وزن خالص ۹٫۷۹ است گرچه هوا داراي وزن خالص در حدود ۱۱٫۹ در دماي يكسان و فشار جو و اتمسفر است.

اين نتيجه چون ما انتظار داريم كه وزن آب بيشتر از وزن هوا در حجم يكسان باشد لذا هماهنگ است.
چگالي: نماد p است كه به عنوان توده در هر واحد حجم تعريف شده است.
چسبندگي: سايش و اصطحكاك سيال است و كميت سيال است. چسبندگي سيال آن را با توانايي جريان يافتن فراهم مي كند. چسبندگي زياد داراي سيال بيشتري است. ملاس (شيره چغندر قند) خيلي چسبنده است در حالي كه روغن داراي چسبندگي كمتري است.
فشار: فشار سيال كميت نيروي آن بخش از سيال است. فشار در سيال بطور مساوي در همه بخشها وجود دارد فشار در يك نقطه در يك سيال تغيير مي كند و در سرتاسر سيستم انتقال مي يابد.

Bydiostatic: نيروهاي سيال و واكنش ها براي سيال است.
۴- اصول رياضي.
۱-۴ جبر
مثال: تعادل فشار هدروليكي:
اگر F2,A2,A1 داده شوند آنگاه داريم: F1 = A1
فشار به عنوان نيرويي تعريف مي شود كه توسط آن بخش مستقيم مي شود در اين مورد ما براي يكي از نيروهاي داده شده حل مي كنيم.
۲-۴ آمار:

مثال: ميانگين پاسخهاي اندازه گيري از چندين آزمايش براي خطاي تضاد محاسبه مي شود.
۳-۴ روشهاي نموداري (گرافيكي):
شكل ۲-۴: ارتباط خطي نيرو در برابر حجم در يك مايع

۵: اصول علمي:
اصول علمي در اين بخش نشان داده شده اند كه شامل هيدروليك، تحت فشار سيستم هاي bydiostatic، انرژي سيال، پمپ، دريچه هستند.
۱-۵: سيستم هاي هيدروليكي:

در تعداد زيادي از سيستم هاي سيال كه چسبندگي سيال مهم نيست در عوض ويژگي هاي بارز سيال مثل چگالي، فشار، ارتفاع سيال در بالاي نقطه مرجع هستند. سيستم هايي با اين مشخصات گفته شده است كه bydiostatic هستند. اين بدان معناست كه عملكرد مهم سيال زماني است كه سيال درباقي مانده آن است.

تعداد زيادي از سيستم هاي سيال با استفاده از مفهوم bydiostatic مورد بررسي قرار گفتند. نمونه هاي زيادي شامل سيستم هاي هيدروليكي در جكهاي ماشين و اتومبيل ها است و همه پمپهاي مايع شكل مي گيرند. براي بررسي اين سيتم ما نياز داريم كه مفاهيم اصلي زير را متوجه شويم. فشار، معادلة bydiostatic چگالي مايع و بايد در اينجا تأكيد كرد كه ما بايد مايعات دا در اين بخش مورد مطالعه قرار دهيم مايعات از گاز متفاوت هستند. اين بدان معناست كه آنها نمي توانند متراكم شوند و آنها فضا اشغال مي كنند.

۲-۵ فشار و قانون پاسكال:
فشار همان طوري كه در بالا هم تعريف شد كميت نيرو در هر بخش است. براي سيالات نيرو در حقيقت نسبت به آن بخش حالت عمودي و قائم دارد.
شكل ۳-۴ نشان دهندة مفهوم فشار سيال است. سيلندر در شكل نشان داده شده است كه با مايع پر مي شود نيرو در هر نقطه روي سيال نشان داده شده است.
نيرو در بالاي سيلندر سيال نتيجه جو آنجا است. فشار هم اتمسفري است ما اين فشار را كه فشار مرجع است و صفر است در نظر مي گيريم در فاصله ۱۰۰۷ متر از بالاي سيلندر تودة سيال در بالاي اين نقطه شامل نيروي روي سيال باقي مانده است.

اين نيرو برابر با جاذبه توده بالايي است. (وزن سيال بالايي) نيروي در بخش عرضي سيلندر سيال عمل مي كند. در اين مورد بخش عرض يك دايره اي است كه بصورت زير تعريف مي شود. R2 A =
كه r شعاع دايره است با استفاده از اين نتايج فشار روي سيال در عمق ۱۰۰۷ متر است كه بصورت زير است: p =
بطور تناوبي، ما مي توانيم يك تانك مستطيل شكلي را در نظر بگيريم كه با سيال (مايع) پر مي شود و در شكل ۴-۴ نشان داده شده است تانك ۳ متر طول و ۲ متر عرض و ۲ متر عمق دارد. و با آب تازه پر مي شود. فشار آبي كه به انتهاي تانك وارد مي شود چيست ؟ از اين ارتباطي كه ما از بالا گرفتيم فشار پايين تانك بصورت زير است: p =
P =
P =

اين مثال ها يك نوع فشاري را در سيالات هيدروليكي نشان مي دهند. فشار ناشي از نيروي جاذبه است كه عميق تر است و وقتي كه ما به سيال نيم گيريم مي بينيم كه فشار آن بيشتر است.
يك قانون فيزيكي وجود دارد كه بطور خلاصه روشي را كه فشار در سيالات عمل مي كند را بيان مي كند. فشاري كه به سيال وارد مي شود برابربا مغناطيسي روي اشياء در همه جهات است. تغيير در فشار در بخشي از يك حجم بسته است كه در سرتاسر سيستم انتقال يافته است. براي سيلندر سيال در شكل ۳-۴ فشار در عمق ۱۰۰۷ متر به سيالات انتقال مي يابد و براي اجسام زير ۱۰۰۷ متر هم است.

۳-۵: bydiostatic:
ما ممكن است از علم و آگاهي مربوط به فشار و تغييرات آن به عنوان تابعي از عمق سيال استفاده كنيم كه سيستم ها را توصيف كنيم كه در آنها مايعات نيرو را انتقال مي دهند. در كل رابطه بين فشار و ارتفاع در سيستم bydiostatic بصورت زير است.

اين معادله بيان مي كند كه فشار سيال p توسط وزن خاص سيال +g ارتفاع سيال تقسيم مي شود. اگر ما ۲ ارتفاع را در سيلندرسيال شكل ۳-۴ در نظر بگيريم معادله بصورت زير است:
اين معادله نشان مي دهد كه تغييير فشار در سيال هيدروليكي بطور مستقيم متناسب با تغيير در ارتفاع است.
مثال: به سيلندر سيال در شكل ۳-۴ دقت كنيد. سيال در ظرف را فرض كنيد كه آب است آنگاه تغيير فشار در عمق ۱۰۰۷ متر در مقايسه با فشار در سطح سيال چيست ؟ وزن خاص آب ۹۰۸۰۰ است كه نشان دهندة اين است كه متر مكعب وزن آب kn908 است و معادله زير بدست مي آيد.

۴-۵ انتقال فشار:
فشار سيال ممكن است كه سبب جابجايي اجسام شود اين مفهوم از قانون پاسگال نشأت مي گيرد كه در آن تغيير فشار ممكن است از طريق يك سيال انتقال يابد. جك در يك كارگاه (فروشگاه) سيار نمونه خاصي است. شكل ۵-۴ نشان دهندة مفاهيم اصلي است. فشار هوا در برابر سيال هيدروليكي عمل مي كند مخزن روغن داراي قطر بيشتري از يك سيلندر است و اين بدان معناست كه جايگزين در مخزن روغن انجام شده است و ناشي از تغيير زياد ارتفاع در ماشين است
تغيير ديگري از بالابر (جرثقيل) در شكل ۵-۴ با جك نشان داده شده است كه ماشينها را در هنگام پنچرگيري حمل مي كند. شكل ۶-۴ نشان دهنده جك خاص از ماشينهاي هيدروليكي است كه داراي مخزن مايع و پيستون است.

اول براي درك اينكه چطور يك فرد مي تواند يك ماشين را جابجا كند و پنچرگيري آن را عوض كند بايد جك را بطور كامل بشناسيم. فرض كنيد فردي تا N100 نيرو به انتهاي آن وارد كند كه در نقطه B است طول اهرم (۳۰سانتي متر) است كه با فاصله BC مقايسه شده است و نيروي سيال در بخش ورودي N1.100 است ما اين ضريب نيروها با فاصله از نقطه C نشان مي دهيم.

F1 = f(11) = (100N)(11) = 1100N
فشار روي پيستون ورودي نيروي F1 است كه توسط سيلندر در بخش عرضي تقسيم شده است.

فشار P1 مستقيماً به پيستون خروجي انتقال مي يابد. ونشان دهندة اين است كه P1=P2. فرض كنيد كه ارتفاع سيال هيدروليكي مهم نباشد.
نيروي تشخيص داده شده در پيستون خروجي سبب افزايش ماشين (F2) مي شود كه مي تواند با ضريب فشار خروجي در بخش عرض پيستون خروجي بدست آيد.
F2 = p2 A2 = (6225 kpa) ( d2 )

F2 = (6225 kpa) (005m)2 = 12222N
در نتيجه نيروي استفاده شده براي بلند كردن ماشين N12222 است كه نيروي ورودي N100 است. اهرم بكار رفته و بخش مختلفي از پيستون ها داراي ترتيب مكانيكي هستند.
۵-۵ نيروي شناوري:

مفهوم ديگر نيروي شناوري است اين توانايي يك جسم براي شناور شدن در سيال (مايع) است. خاصيت شناوري ممكن است به عنوان نيرويي ارزيابي شود كه براي خنثي كردن وزن يك جسم لازم است. تفاوت در نيروها روي پايين و بالاي سطوح جسم نيروي شناور برابر با وزن سيال و عملكرد آن بطور عمودي و بطرف بالا است. در معادله نيروي شناور بصورت زير است
FB = rv = pgv
كه FB kdv نيروي شناور، ل وزن خاص سيال و V حجم سيال است.
مثال: يك قايق باري را در نظر بگيريد كه با سنگ پر شده است ۷ متر عرض. ۱۷ متر طول و ۲۰۵ متر عمق دارد. اگر وزن قايق باري و وزن سنگ ۲۰۰ mn باشد آنگاه عمق غوطه ور شدن آن در آب بايد تعيين شود.
وزن خاص آب ۹۰۸۰۰ است از مفهوم نيروي شناور حجم سيال بايد با وزن قايق باري داراي تعادل باشد. قايق V آب = FB = قايق W
با جانشيني جم و حل كردن عمق آب در آب ما داريم:
W قايق = r آب iwd = (908 ) (17m) (7m) d
يا

با جانشيني وزن قايق باري داريم:

مثال: بشكه نفت A50/9m3 با هوا پر شده است و به غواص در بلند كردن تكيه گاه كشتي قديمي از پايين اقيانوس كمك مي كند. اگر تكيه گاه داراي وزني برابر با N1790 در آب دريا باشد و اگر وزن بشكه نفت خالي N225 در هوا باشد آنگه چه مقدار وزن غواص براي بلند كردن لازم دارد واين زماني است كه غوطه وردرآب است و به تكيه گاه چسبيده است، نيروي مورد نياز براي غواص بين وزن كل و وزن بشكه و تكيه گاه و نيروي شناور روي بشكه متفاوت است.
FD = (WD+WA) -FB
روش ديگربراي بررسي اين نيروي غواص و نيروي شناور بشكه است كه بايد متعادل با وزن بشكه و تكيه گاه باشد. FD + FB = WD + WA
ما وزن بشكه و تكيه گاه را به نيوتن داريم ما نياز داريم تا نيروي شناور را روي بشكه تعيين كنيم و اين زماني است كه غوطه ور در آب دريا است.
وزن خاص آب دريا بصورت زير است: = ۱۰۰۷۰ n/m 3آب درياr
از معادله نيروي شناور داريم:

۰٫۱۹m3) = 19/3 N)( = (10070شبكهv آب دريا fFB = rv =r
با جانشيني نيروي شناور وزن بشكه و لنگرگاه داريم:
FD = (1790N+225N) – ۱۹/۳ N FD = 102N

در نتيجه بشكه نفت به ميزان زيادي به غواض در بلند كردن لنگرگاه كمك مي كند. فقط N120 نيرو و در مقايسه با وزن واقعي لنگرگاه در آب دريا لازم است.
۶- سيستم هاي هيدروليكي سيالات در حركت:
سيالات هيدروليكي (مايعات) كه داراي چسبندگي، ارتفاع و تغييرات فشار هستند ممكن است با استفاده از معادله بزولي نشان داده شوند. به خاطر بسپاريد كه معادله bydiostatic فشار و ارتفاع سيال را نشان مي دهد و معادله بزولي چسبندگي را هم به نيروهاي سيال و ارتفاع سيال اضافه مي كند كه به حركت آنها هم مي انجامد. معادله آن بصورت زير است:

كه V1 و V2 چسبندگي هاي سيال در ۲ نقطه در سيستم سيال و g مقدار ثابت جاذبه هستند.
مي توان با استفاده از معادله بزولي آنها را نشان داد حال كاربرد آن در پيستون سيلندر يك تپانچه آب در نظر بگيريم. شكل ۸-۴ گوياني عامل سيلندر پيستون است. پيستون تپانچه آب را نشان مي‌دهد و سيلندر مخزن آب را نشان مي دهد و سيلندر مخزن آب را نشان مي دهد.