مبدأ برنولي

مبدأ برنولي

نصها

مبدأ برنولي ينص على أن الضغط يقل عندما تزيد السرعة.

تمهيد

و قاعدة برنولي ، وتسمى أيضًا قانون أو مبدأ برنولي ، هو تعبير عن بقاء الطاقة في علم حركة السوائل ، وينص على أن ضغط السائل يرتفع كلما انخفضت سرعته ، وبالعكس ينخفض الضغط كلما ازدادت السرعة. وقد طوّر عالم الرياضيات السويسري دانيال برنولي هذا القانون في القرن الثامن عشر الميلادي. تستخدم قاعدة برنولي عند تصميم أجنحة الطائرات. يعطي الجناح انحناءة عند سطحه العلوي تجعل الهواء ينساب عليه أسرع منه عند السطح السفلي للجناح ، وبالتالي يكون ضغط الهواء أقل عند مواضع السرعة الأعلى. ونتيجة لذلك ، يزيد ضغط الهواء أسفل الجناح عنه فوق الجناح. ويؤدي ذلك إلى رفع الطائرة.

لا يقتصر مبدأ بيرنولي على قوة الرفع في الطائرات كما ذكر اعلاه ولكنه احدى تطبيقاته وكل تطبيق من التطبيقات له قانون مستقل وبعضهم يشتركون بنفس القانون

وسنذكر بعض تطبيقاته.

أشهر تطبيقاته

-         ورقتين توضع بشكل موازي ومواجه للآخر بحيث تكون مساحة بسيطة فارغة بينهم ويتم النفخ في هذه المساحه وتلاحظ اقتراب الورقتين من بعضها البعض بسبب زيادة سرعة المائع بينهما وقلة الضغط ايضا.

-         انبوب او لي ويستخدم معه قانون معادلة بيرنولي.

-         مقياس فينتوري ويستخدم لحساب تدفق السائل.

-         قوة الرفع في الطائرة.

-         المرذاذ و يستخدم في بعض زجاجات العطور و المبيدات الحشرية و غيرها , مبدأ عمله:يعتمد على اندفاع الهواء من انبوب واسع إلى ضيق ينتج عنه زيادة في السرعة ومن ثم ينخفض الضغط على سطح السائل فيندفع السائل على شكل رذاذ محمول.

-         المازج في السيارات - الكاربوريتور - له نفس مبدأ عمل المرذاذ .

الصاروخ

الصاروخ

الصاروخ هو جسم طائر يعمل على مبدأ الاندفاع عن طريق رد الفعل لانفجارات تتم في غرفة الاحتراق كما هو مبين في الأسفل وهو مبدئ غير مرتبط بمحيط الصاروخ أي أن الصاروخ أو الدفع الصاروخي يعمل أيضا في الفضاء الخالي من الهواء مثلا (مثلا حين لا يحتاج احتراق الوقود للهواء). وهو يتميز عن القذيفة في أن مرحلة التسارع لدى الصاروخ أطول.
ويختلف حجم الصاروخ من صواريخ الألعاب النارية مرورا بالصواريخ العسكرية إلى الصواريخ العملاقة كصاروخ زحل 5 أي Saturn V الذي استعمل في استكشاف القمر خلال مشروع أبولو.
محتويات

نبذة تاريخية

تعود بداية الصواريخ إلى أوائل القرن الثالث عشر الميلادي، حيث استخدمها العرب في صد الصليبيين ونجد أول وصف تفصيلي للصواريخ بواسطة العالم العربي حسن الرماح، وفي الحروب الصليبية انتقلت الصواريخ إلى أوروبا. ومع قيام الحربين العالميتين أظهر الألمان اهتماماً بالصواريخ، فطوروا صواريخ عدة منها صاروخ في-2 الذي أطلقت ألمانيا منه أكثر من ألف صاروخ على لندن أو بجوارها قتلوا ألف شخص.

وبعد انتهاء الحرب تصارع كل من الاتحاد السوفيتي والولايات المتحدة إلى استقطاب العلماء الألمان الذين عملوا في مشروعات تطوير الصواريخ النازية.

الأسس العلمية

في أي نظام ما يساوي مضروب التسارع في الكتلة أي (مضروب تغير السرعة في الكتلة) قوة الدفع الناتجة. فإذا حددنا النظام كما هو مبين في الصورة عند احتراق الوقود في المحرك الصاروخي بكثافة ودرجة حرارة عالية فإن جزيئات الغاز الناتجة عن الاحتراق تتحرك بسرعة شديدة وضغط عال متجهة إلى خارج الصاروخ، وعلى ذلك يتحرك الصاروخ في الاتجاه المعاكس لخروج الغاز طبقا قانون نيوتن الثالث الخاص برد الفعل، بحيث يكون مضروب وزنه في سرعته يساوي مضروب وزن الغاز في سرعته ولكن في الاتجاه العكسي (طبقا لقانون انحفاظ كمية الحركة). بالنسبة للصاروخ فوزنه متغير بسبب استهلاكه المستمر لما يحمله من وقود، ويجب أخذ ذلك في الاعتبار عند حساب المعادلة المذكورة أعلاه. إلى جانب الميكانيكا التي تصف حركة الصواريخ والقوى المؤثرة عليها فإن للديناميكا الحرارية والكيمياء دورين هامين في تطوير وقود الصواريخ خاصة وفي مجال الدفع الصاروخي.
V2

تعود بداية الصواريخ إلى أوائل القرن الثالث عشر الميلادي، حيث استخدمها العرب في صد الصليبيين ونجد أول وصف تفصيلي للصواريخ بواسطة العالم العربي حسن الرماح، وفي الحروب الصليبية انتقلت تقنية الصواريخ إلى أوروبا. ومع قيام الحربين العالميتين اهتم الألمان اهتماماً بالصواريخ، وتحت اشراف عالم الصواريخ الألماني فرنر فون براون قاموا بتكوير وتصنيع صواريخ عدة منها صاروخ فاو-1 (V1) وفاو-2 (V2) الذان أطلقتهم ألمانيا بأعداد كبيرة على لندن وجوارها فقتلوا ما يزيد عن 6000 شخص.

حساب دفع الصاروخ

يحرق المحرك الصاروخي جزءا صغيرا من الوقود الذي يحمله كل ثانية، بحيث يندفع الغاز المحترق الساخن خارج الصاروخ بسرعة عالية جدا. وهذا يعني أن لا بد ان تكون نسبة الدفع إلى وزن الصاروخ كبيرة حتي يستطيع الصاروخ الإقلاع. وتبلغ هذه النسبة للصوارخ من 1:70 إلى 1:100، في حين تصل تلك النسبة إلى 1:10 فقط بالنسبة لمحرك الطائرة النفاثة.

وتعطينا المعادلة التالية دفع الصاروخ:

   F_n = \dot{m}\;v_{e}[1]

حيث:

   \dot{m} \, معدل تدفق الوقود (كيلوجرام /ثانية)

   v_{e} \, سرعة خروج الغاز المحترق (متر / ثانية)

وعادة ما تكون سرعة خروج الغاز المحترق ve ثابتة في الفراغ. إلا أن السرعة الحقيقية للغاز تقل في وجود الضغط الجوي خصوصا على مستوي سطح الأرض. أما في الفضاء فتصبح سرعة اندفاع الغاز مساوية للسرعة الفعلية.

نسبة الدفع إلى الوزن

تعتبر نسبة الدفع إلى الوزن للصاروخ مقياس لعجلة الصاروخ (تسارعه) معبرا عنها بعجلة الجاذبية الأرضية g. ونسبة الدفع إلى الوزن F/Wg هي قيمة مطلقة تعطي عجلة الصاروخ بالنسبة إلى g0، في حالة أقلاع الصاروخ في الفراغ من دون تأثير للجاذبية.

ولكن الصاروخ يقلع عادة من الأرض ويقع بذلك تحت تأثير الجاذبية الأرضية من جهة كما هو معرض للضغط الجوي من جهة أخرى. ولهذا فإن تعيين نسبة دفع الصاروخ إلى وزنه يستلزم أخذ الوزن الكلي للصاروخ على سطح الأرض في الحسبان. وهذا الوزن الكلي Wg يتكون من وزن الوقود ووزن الصاروخ تفسه. وتسمى هذه النسبة نسبة الدفع إلى الوزن على الأرض (Thrust-to-Earth-weight ratio).

ونسبة الدفع إلى الوزن على الأرض للصاروخ تعطي عجلة الصاروخ كنسبة مقارنة لعجلة الجاذبية الأرضية g0.

لهذا نجد ان نسبة الدفع إلى الوزن لمحرك الصاروخ تكون أكبر بالنسبة إلى وزن المحرك نفسه عن النسبة إلى وزن الصاروخ كله. وفائدة تعيين نسبة الدفع إلى وزن المحرك انها تعطينا الحد الأقصى للعجلة (التسريع) التي يمكن أن يكتسبها صاروخ معين نظريا على أساس كمية وقود محدودة الوزن وتصميم للهيكل مناسب.

ولكي ينجح الإقلاع من على سطح الأرض لا بد أن تكون نسبة الدفع إلى الوزن أكبر من 1 (أي أكبر من g.). ويسهل الإقلاع كلما كانت تلك النسبة أكبر من g.

وهناك مسائل عديدة تؤثر على نسبة الدفع إلى الوزن وهي تتغير أثناء الإقلاع بحسب سرعة الصاروخ والارتفاع عن الأرض وكذلك تغير وزن الصاروخ بسبب استهلاك الوقود المستمر. وكذلك تؤثر العوامل الجوية على الإقلاع مثل درجة الحرارة، والضغط وكثافة الهواء. وبحسب نوع المحرك ووزن الصاروخ يعتمد اقلاعة أيضا على الجاذبية الأرضية في مكان الإقلاع وكذلك الموقع بالنسبة إلى خط العرض الجغرافي.

حركة السيارة

فيزياء حركة السيارة

مقدمة 

تبدأ الدّراسة أولاً بتحديد المبادئ الأساسيّة للدّراسة…. والتي تشمل مركز الثّقل، القوى المؤئّرة، بالإضافة للقوى المدروسة والمُطبّقة في نظام المحاكاة.


مركز الثّقل

يمكننا اعتبار مركز ثقل السيّارة أحد اثنين:

- مركز متوازي المستطيلات الذي تبدو السيّارة وكأنّها تشكّله.

- مركز ثقل السيّارة الحقيقي، والذي سنستبعده…

إنّ تحديد مركز ثقل السيّارة الحقيقي بدقّة مقاربة لـ100% معقّد جدّاً كما أنّ الفرق في النّتائج بين تجربة يُستخدم فيها مركز الثّقل الحقيقي وأخرى يُستخدام مركز “متوازي المستطيلات” فيها صغير بل ويكاد لا يُذكر عند تطبيق محاكاة كالتي نقوم بها.

القوى المؤئّرة

إنّ القوى المؤثّرة على السيّارة كثيرة جدّاً، وخاصّة عند حركتها. ودراسة كل هذه القوى مجتمعة معقّد وليس بالأمر السّهل في وسط ثلاثي الأبعاد لأنّ أكثرها يعود لأسباب طبيعيّة وبالتّالي قد تختلف من لحظة لأخرى !

أهمّ هذه القوى:  
       

-  قوّة جر المحرّك (والتي تظهر على العجلات)

-  القوى النّاتجة عن الانزلاق
-  قوى الاحتكاك
-  قوى مقاومة الهواء
-  قوى العطالة
-  قوة ناتجة عن الفرملة

الضغط

الضغط

تعريف

الضغط هو تأثير يحدث عند تطبيق قوة على سطح، ويرمز للضغط بالرمز p أو ض

الصيغة رياضيا

الضغط = القوة العمودية على المساحة (ض = ق / مس)

حيث p: الضغط. و F: القوة العمودية. و A: المساحة.  يعتبر الضغط كمية سلمية وحداتها في النظام الدولي للوحدات هي الباسكال Pa حيث 1 باسكال = 1 نيوتن/ متر²، وفي نظام الوحدات الامريكي المتخصص وحدة البساي  psi حيث 1 بساي = 1 رطل / انش²

يعتبر الضغط من الإحداثيات الأساسية في الديناميكية الحرارية وهو مقترن دائماً بالحجم .  

يسمى الضغط الحقيقي عند موقع معطى بالضغط المطلق ويقاس نسبة إلى ضغط التفريغ المطلق حيث عندها يكون الضغط المطلق مساوياً للصفر. معظم أجهزة قياس الضغط تقيس فرق الضغط، حيث أنها تعتبر نقطة الصفر هي الضغط الجوي ، ولذلك فهي تقيس الفرق بين الضغط المطلق والضغط الجوي المحلي، وهذا الفرق يدعى الضغط المقاس ويسمى الضغط الأقل الضغط الجوي ضغط التفريغ ويقاس بأجهزة قياس التفريغ، والتي تقيس الفرق بين الضغط الجوي والضغط المطلق.

الضغط المطلق والضغط المقاس والضغط الجوي وضغط التفريغ كلها قيم موجبة

وترتبط بالعلاقة:

للضغط أعلى من الضغط الجوي :

للضغط أقل من الضغط الجوي:

الضغط الجوي التقني

أو اختصاراً جو تقني يرمز له بـ atm وهي وحدة غير معتمدة في النظام الدولي للوحدات وتساوي 1 Kg /cm

يفضل بعض علماء الأرصاد استخدام وحدة الهيكتوباسكال (hPa) لقياس الضغط الجوي والتي تساوي الوحدة القديمة مللي بار (1 مللي بار = 1/1000 بار)، ولكن يغلب استخدام الكيلوباسكال (kPa) (أي 1000 باسكال) في الفروع الأخرى حيث أن استخدام الهيكتو (1 هيكتو = 100) نادر جداً.

هناك أيضاً وحدة الإنش الزئبقي لا زالت مستخدمة حتى يومنا هذا في الولايات المتحدة الأمريكية.

أما علماء المحيطات فيستخدمون وحدة ديسيبار (dbar) لقياس الضغط تحت الماء، والسبب يعود إلى أن زيادة الضغط تحت الماء بقيمة 1 ديسيبار يقابله زيادة في العمق بقيمة 1 متر تقريباً.

الضغط الجوي القياسي

(جو) وهو قيمة ثابتة تساوي تقريباً ضغط الهواء في الأرض وفي مستوى سطح البحر، وقيمته تساوي: = 101325 Pa. أو 101.325 Kpa أو 1013.25 hPa وقد تم استبدال هذه الوحدة بوحدة البار لأسباب عملية بحتة، حيث 1bar = 100000Pa، وكما هو ملاحظ فإن الفرق بين الوحدتين لا يتعدى حدود 1% ولا وجود لأي تغييرات ملحوظة بسبب هذا الفرق بين الوحدتين.

الأنواع

الضغط الانفجاري

وهو الضغط الناتج من تفجير الغازات أو الأبخرة في فضاء مفتوح أو مغلق.

الضغط السلبي

عادة ما يكون للضغط قيمة موجبة ولكن هناك بعض الحالات التي قد نضطر فيها إلى التعبير عن الضغط بقيمة سالبة :

• عند التعامل مع الضغط الجوي القياسي، فعلى سبيل المثال، عندما تكون قيمة الضغط 80kPa فعندها يمكن القول بأن هذا الضغط قيمته -21 بالنسبة للضغط الجوي القياسي المساوي لـ 101kPa. (بمعنى أن الضغط الحالي هو 21kPa تحت الضغط الجوي القياسي).
• عندما تكون القوى الجاذبة (مثل قوى فانر فالس ) بين جزيئات السائل أكبر من القوى الطاردة، في هذه الحالة ستتقارب جزيئات السائل من بعضها البعض، إلى أن تتساوى القوى الجاذبة مع القوى الطاردة،
• يمكن لتأثيركازيمير أن يخلق قوة جاذبة ضعيفة نتيجة للتفاعل مع طاق ة الفراغ وتسمى هذه القوة أحيانا بقوة الفراغ (يجب التمييز بين هذا النوع من الضغط والضغط القياسي السلبي للفراغ).
• يمكن أن نصف الضغط بأنه ضغط سلبي اعتماداً على الاتجاهات المعتمدة على السطح الذي يتعرض للضغط، فالضغط الذي يؤثر باتجاه العمود على السطح يسمى ضغطاً موجباً، والضغط الذي يؤثر باتجاه معاكس للعمود على السطح يسمى ضغطاً سلبياً.
• في الثابت الكوني 

ضغط الغاز المثالي

في حالة الغاز المثالي، لا تمتلك الجزيئات حجماً ولا تتفاعل فيما بينها. يتناسب الضغط خطياً مع الحرارة والحجم وعدد المولات وفقاً لقانون الغاز المثالي.

حيث :

p : ضغط الغاز.

n : كمية المادة بالمول .

T : درجة الحرارة بالكلفن .

V : الحجم.

R : الثابت العام للغازات .

الضغط في الموائع الساكنة

الضغط في السوائل سببه : وزن السائل ويكون في كل الاتجاهات أي عمودي على الجسم المغمور فيه و على جدران الوعاء .

العوامل المؤثرة على ضغط السائل : 1- كثافة السائل ( التناسب طردي ) كلما زادت كثافة السائل زاد الضغط . 2- عمق النقطة ( التناسب طردي ) كلما زاد عمق السائل زاد الضغط .

العلاقة الرياضية لحساب ضغط السائل : ض = جـ ( تسارع الجاذبية الأرضية )× ف ( عمق النقطة ) × ث ( كثافة السائل )