நிலையான மற்றும் மாறும் திரவப் பொருள்

நிலையான மற்றும் மாறும் திரவப் பொருள்

பாய்மங்கள் இயற்பியலில் ஒரு கவர்ச்சிகரமான தலைப்பாகும், ஏனெனில் அவை திரவங்கள் மற்றும் வாயுக்கள் போன்ற பாயக்கூடிய பொருட்களின் பண்புகளையும் நடத்தையையும் உள்ளடக்கியுள்ளன. பாய்ம நிலை இயல் மற்றும் பாய்ம இயக்கவியல் ஆகியவை பாய்ம ஆய்வின் இரண்டு முக்கியப் பிரிவுகளாகும், ஒவ்வொன்றும் அதன் தனித்துவமான பண்புகளையும் பயன்பாடுகளையும் கொண்டுள்ளது. இந்தக் கட்டுரையில், பாய்ம நிலை இயல் மற்றும் பாய்ம இயக்கவியல் கோட்பாடுகளின் அடிப்படைகளையும், அன்றாட வாழ்வில் அவற்றின் பயன்பாடுகளுக்கான சில நிஜ உலக எடுத்துக்காட்டுகளையும் நாம் மீள்பார்வை செய்வோம்.

நிலையான திரவம்

நிலையான பாய்மம் என்பது ஓய்வில் இருக்கும் ஒரு பாய்மம் ஆகும், அதாவது அது எந்த இயக்கத்திற்கும் உள்ளாகாது. நிலையான பாய்மங்களைப் பற்றிய ஆய்வு பெரும்பாலும் நிலைநீர் இயல் (ஹைட்ரோஸ்டேடிக்ஸ்) என்று அழைக்கப்படுகிறது. நிலைநீர் அழுத்தம், பாஸ்கல் கொள்கை மற்றும் ஆர்க்கிமிடீஸ் விதி ஆகியவை நிலையான பாய்மங்களில் உள்ள சில முக்கியமான கருத்துகளாகும்.

ஹைட்ரோஸ்டேடிக் அழுத்தம்

நிலையான பாய்மத்தில் உள்ள அழுத்தம் என்பது ஓரலகு பரப்பளவிற்குச் செயல்படும் விசையாகும், மேலும் இது எல்லா திசைகளிலும் சீராகச் செயல்பட முனைகிறது. இந்த அழுத்தம், உற்றுநோக்கும் புள்ளிக்கு மேலே உள்ள பாய்மத்தின் எடையால் ஏற்படுகிறது. நிலைநீர்ம அழுத்தச் சமன்பாடு பின்வருமாறு வெளிப்படுத்தப்படுகிறது:

\[ P = P_0 + \rho gh \]

எங்கே:
– \( P \) என்பது \( h \) ஆழத்தில் உள்ள அழுத்தம் ஆகும்.
– \( P_0 \) என்பது மேற்பரப்பு அழுத்தம்.
– \( \rho \) என்பது திரவத்தின் அடர்த்தி.
– \( g \) என்பது புவியீர்ப்பு முடுக்கம் ஆகும்.
– \( h \) என்பது ஆழம்.

இதற்கு ஒரு எளிய உதாரணம், ஒரு மூழ்காளர் நீருக்கடியில் ஆழமாகச் செல்லும்போது உணரும் அழுத்தம். மூழ்காளர் எவ்வளவு ஆழமாகச் செல்கிறாரோ, அவருக்கு மேலே உள்ள நீரின் எடையின் காரணமாக அவர் உணரும் அழுத்தம் அவ்வளவு அதிகமாக இருக்கும்.

பாஸ்கலின் கொள்கை

ஒரு மூடிய திரவத்தில் எங்கு அழுத்தம் மாறினாலும், அந்த அழுத்தம் திரவம் முழுவதும் சீராகப் பரவுகிறது என்று பாஸ்கல் கொள்கை கூறுகிறது. இந்தக் கொள்கைக்கு ஹைட்ராலிக் அமைப்புகள் போன்ற பல நடைமுறைப் பயன்பாடுகள் உள்ளன. உதாரணமாக, ஒரு ஹைட்ராலிக் ஜாக்கில், ஒரு சிறிய பிஸ்டனில் செலுத்தப்படும் சிறிய விசை, பெரிய பிஸ்டனில் ஒரு பெரிய விசையை உருவாக்குகிறது.

ஆர்க்கிமிடீஸ் விதி

ஆர்க்கிமிடீஸ் விதியின்படி, ஒரு திரவத்தில் பகுதியாகவோ அல்லது முழுமையாகவோ மூழ்கியிருக்கும் எந்தவொரு பொருளும், அதனால் இடப்பெயர்வு செய்யப்பட்ட திரவத்தின் எடைக்குச் சமமான ஒரு மேல்நோக்கிய மிதப்பு விசையை உணரும். இந்த மிதப்பு விசை, மிதப்பு விசை என்று அழைக்கப்படுகிறது.

[ F_b = \rho g V ]

எங்கே:
– \( F_b \) என்பது தூக்கும் விசை.
– \( \rho \) என்பது திரவத்தின் அடர்த்தி.
– \( g \) என்பது புவியீர்ப்பு முடுக்கம் ஆகும்.
– \( V \) என்பது இடப்பெயர்வு செய்யப்பட்ட திரவத்தின் கன அளவு.

உதாரணமாக, ஒரு கப்பல் தண்ணீரில் மிதப்பதைக் கூறலாம். கப்பல் இடப்பெயர்ச்சி செய்யும் நீரின் எடை, அதன் சொந்த எடைக்குச் சமமாக இருப்பதால், அது மேல்நோக்கிய மிதப்பு விசையை உருவாக்கி, கப்பலால் மிதக்க முடிகிறது.

பாய்ம இயக்கவியல்

நிலையான நிலைகளைத் தவிர, பாய்மங்கள் பெரும்பாலும் இயக்கத்திலோ அல்லது பாய்வதிலோ காணப்படுகின்றன. இயங்கும் பாய்மங்களின் நடத்தையைப் பற்றிய ஆய்வு, நீரியக்கவியல் என அழைக்கப்படுகிறது. பாய்ம இயக்கவியலில் உள்ள சில முக்கியமான கருத்துருக்களில் தொடர்ச்சிச் சமன்பாடு, பெர்னூலி சமன்பாடு மற்றும் நேவியர்-ஸ்டோக்ஸ் விதிகள் ஆகியவை அடங்கும்.

தொடர்ச்சி சமன்பாடு

தொடர்ச்சிச் சமன்பாட்டின்படி, அமுக்கவியலாத பாய்மப் பாய்வில், உள்ளீட்டு நிறைப்பாய்வு வீதமானது வெளியீட்டு நிறைப்பாய்வு வீதத்திற்குச் சமமாக இருக்க வேண்டும். இந்தச் சமன்பாட்டைப் பின்வருமாறு வெளிப்படுத்தலாம்:

\[ A_1 v_1 = A_2 v_2 \]

எங்கே:
– \( A_1 \) மற்றும் \( A_2 \) என்பன புள்ளிகள் 1 மற்றும் 2 இல் உள்ள குறுக்குவெட்டுப் பரப்புகள் ஆகும்.
– \( v_1 \) மற்றும் \( v_2 \) என்பன புள்ளிகள் 1 மற்றும் 2 இல் உள்ள பாய்வு வேகங்கள் ஆகும்.

உதாரணமாக, குறுகிய முனை கொண்ட ஒரு தண்ணீர்க் குழாயைக் கூறலாம். குழாயின் முனையை அழுத்தும் போது, ​​அங்குள்ள குறுக்குவெட்டுப் பரப்பளவு சிறியதாக இருப்பதால், தண்ணீர் மிக வேகமாக வெளியேறுகிறது.

பெர்னூலியின் சமன்பாடு

பெர்னூலியின் சமன்பாட்டின்படி, அமுக்கவியலாத, உராய்வற்ற பாய்ம ஓட்டத்தில், ஓரலகு கனஅளவிற்கான இயந்திர ஆற்றலின் (அழுத்தம், இயக்க ஆற்றல் மற்றும் நிலை ஆற்றல்) அளவு மாறிலியாகும். இந்த சமன்பாடு பின்வருமாறு எழுதப்படுகிறது:

\[ P + \frac{1}{2} \rho v^2 + \rho gh = \text{constant} \]

எங்கே:
– \( P \) என்பது திரவத்தின் அழுத்தம்.
– \( \rho \) என்பது திரவத்தின் அடர்த்தி.
– \( v \) என்பது பாய்ம ஓட்ட வேகம்.
– \( g \) என்பது புவியீர்ப்பு முடுக்கம் ஆகும்.
– \( h \) என்பது குறிப்புப் புள்ளிக்கு மேலுள்ள உயரம்.

பெர்னூலியின் சமன்பாட்டிற்கு ஓர் நிஜ உலக உதாரணம் விமானத்தின் இறக்கையாகும். ஒரு விமான இறக்கையின் வடிவம், அதன் மேலே பாயும் காற்றின் வேகம், இறக்கைக்குக் கீழே உள்ள காற்றின் வேகத்தை விட அதிகமாக இருக்கும்படி வடிவமைக்கப்பட்டுள்ளது. இதன் விளைவாக, இறக்கைக்குக் கீழே உள்ளதை விட மேலே அழுத்தம் குறைவாக உள்ளது. இதுவே, விமானம் பறப்பதற்குத் தேவையான மேல்நோக்கிய தூக்குவிசையை உருவாக்குகிறது.

நேவியர்-ஸ்டோக்ஸ் சட்டம்

நேவியர்-ஸ்டோக்ஸ் விதிகள் என்பவை பாய்மங்களின் இயக்கத்தை விவரிக்கும் சமன்பாடுகளின் தொகுப்பாகும். இந்தச் சமன்பாடுகள் சிக்கலானவை மற்றும் நுட்பமான கணிதப் பகுப்பாய்வை உள்ளடக்கியவை, ஆனால் பாய்ம இயக்கவியலைப் புரிந்துகொள்வதற்கு இவை அடிப்படையானவை. இந்த விதிகள் பின்வரும் வடிவத்தை எடுக்கின்றன:

\[ \rho \left( \frac{\partial \mathbf{v}}{\partial t} + \mathbf{v} \cdot \nabla \mathbf{v} \right) = -\nabla P + \mu \nabla^2 \mathbf{v} + \mathbf{f} \]

எங்கே:
– \( \rho \) என்பது திரவத்தின் அடர்த்தி.
– \( \mathbf{v} \) என்பது பாய்ம ஓட்டத்தின் திசைவேகம்.
– \( \mu \) என்பது திரவத்தின் இயக்கப் பாகுத்தன்மை ஆகும்.
– \( \mathbf{f} \) என்பது ஓரலகு கனஅளவிற்கான புற விசை ஆகும்.

இந்தச் சமன்பாடுகள், வாகனங்களைச் சுற்றியுள்ள காற்று ஓட்டத்தை மாதிரியாக்குதல், இரத்த நாளங்களில் இரத்த ஓட்டத்தை மாதிரியாக்குதல் மற்றும் குழாய்களில் எண்ணெய் விநியோகத்தை மாதிரியாக்குதல் உள்ளிட்ட பல பொறியியல் பயன்பாடுகளுக்கு அடிப்படையாக அமைகின்றன.

நிலையான மற்றும் மாறும் திரவ பயன்பாடுகள்

பாய்ம நிலைவியல் மற்றும் இயக்கவியல் கோட்பாடுகள் குடிசார் பொறியியல், இயந்திரப் பொறியியல், மருத்துவம், வானிலையியல் மற்றும் சுற்றுச்சூழல் போன்ற பல்வேறு துறைகளில் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. சில நிஜ உலகப் பயன்பாடுகள் பின்வருமாறு:

1. அணை மற்றும் நீர்த்தேக்க வடிவமைப்பு: நீர் அழுத்தத்தின் கீழ் கட்டமைப்புகளின் நிலைத்தன்மையை உறுதி செய்வதற்காக, நீர்நிலை அழுத்தம் மற்றும் ஆர்க்கிமிடீஸ் விதியின் கோட்பாடுகளைப் பயன்படுத்துதல்.

2. ஹைட்ராலிக் அமைப்பு: வாகனங்கள் மற்றும் கட்டுமான உபகரணங்களின் ஹைட்ராலிக் பிரேக்குகளில் பாஸ்கல் கொள்கையின் பயன்பாடு.

3. வானூர்தியியல்: மேல்நோக்கு விசையை உருவாக்குவதற்காக விமான இறக்கைகளின் வடிவமைப்பில் பெர்னூலியின் சமன்பாட்டைப் பயன்படுத்துதல்.

4. வானிலை மாதிரியாக்கம்: நேவியர்-ஸ்டோக்ஸ் விதிகளைப் பயன்படுத்துவது காற்றின் போக்குகளையும் பிற வானிலை நிகழ்வுகளையும் கணிக்க உதவுகிறது.

5. மருத்துவம்: இதய நோய்களைக் கண்டறிவதற்காக, பாய்ம இயக்கவியல் கோட்பாடுகளைப் பயன்படுத்தி செய்யப்படும் இரத்த ஓட்டப் பகுப்பாய்வு.

முடிவுரை

பாய்ம நிலை இயல் மற்றும் இயக்கவியலின் அடிப்படைகளைப் புரிந்துகொள்வது, பலதரப்பட்ட அறிவியல் மற்றும் பொறியியல் பயன்பாடுகளில் இன்றியமையாததாகும். பாய்மங்களின் பண்புகளையும் நடத்தையையும் புரிந்துகொள்வதன் மூலம், விஞ்ஞானிகளும் பொறியாளர்களும் வானூர்திகள் முதல் மருத்துவ சாதனங்கள் வரை, மிகவும் திறமையான மற்றும் பாதுகாப்பான தொழில்நுட்பங்களை வடிவமைத்து உருவாக்க முடியும். பாய்ம நிலை இயல், பாய்மங்கள் ஓய்வு நிலையில் எவ்வாறு நடந்துகொள்கின்றன என்பது குறித்த ஒரு பார்வையை வழங்குகிறது, அதேசமயம் பாய்ம இயக்கவியல், பாய்மங்களின் ஓட்ட நடத்தையில் உள்ள சிக்கல்களை வெளிப்படுத்துகிறது. இவை இரண்டும், தொடர்ந்து வளர்ந்துவரும் இயற்பியல் துறையின் இன்றியமையாத தூண்களாகும்.