فشار سیالات چه انواعی دارد و چگونه محاسبه می شود؟

مکانیک سیالات شامل ساختار بزرگی از خواص فیزیکی مختلف مانند فشار مطلق و نیروی فشار است.

جریان سیال، همانطور که از معادلات اصلی دینامیک سیالات مشتق شده است، اغلب بر حسب نرخ جریان یا نیرو مورد بحث قرار می‌گیرد.

با این حال، ما گاهی اوقات دوست داریم جریان‌ها را بر حسب فشاری که بر جسم متحرک وارد می‌کنند، مورد بحث قرار دهیم؛ زیرا این به طراحی بسیاری از سیستم‌های مکانیکی کمک می‌کند.

برای درک واقعی فشار سیالات و فشار اتمسفر، باید درک قوی از نیروی مؤثر هیدرودینامیکی و هیدرواستاتیکی داشت.

این موارد فقط در مورد آب صدق نمی‌کند و مایع یا مایعات به طور کلی باید مورد بررسی قرار گیرند تا درک شوند.

در این مقاله با بررسی مفهوم فشار سیالات می‌پردازیم و انواع فشار و روش‌های محاسبه این فشار را مورد بحث قرار می‌دهیم.

1# فشار سیالات چیست؟

درست مانند هر شکل دیگری از فشار، فشار سیالات را می‌توان نیروی توزیع شده در یک منطقه در نظر گرفت.

این فشار در اثر نیروهای خارجی مانند نیروهای مکانیکی سیالات بر روی ظرف بسته یا شتاب ناشی از گرانش ایجاد می‌شود.

معمولاً با پاسکال (Pa) اندازه‌گیری می‌شود که در آن یک پاسکال برابر با یک نیوتن در هر متر مربع (N/m2) است.

فشار سیال مستقل از جرم سیال است؛ اما می‌توان آن را با چگالی و ارتفاع سیال محاسبه کرد.

وقتی اجزای نیروی فشار سیالات را تجزیه کنیم، این ایده را بهتر می‌توان درک کرد که به شرح زیر است:

• نیرو: در زمینه فشار سیالات، نیرو به برهم‌کنشی گفته می‌شود که بین ذرات سیال و ماده‌ای که با آن در تماس هستند، رخ می‌دهد.
• مساحت: در اینجا، مساحت سطحی را نشان می‌دهد که نیروهای سیال تأثیر خود را بر آن اعمال می‌کنند.

با پیوند دادن این دو، می‌بینیم که نیروی اعمال شده توسط ذرات سیال در یک منطقه معین منجر به فشار می‌شود.

فشار سیالات توسط چند اصل کلیدی زیر اداره می‌شود:

• به هر سطحی که با آن برخورد می‌کند عمود بر آن اعمال می‌شود.
• نیرو به طور مساوی در تمام جهات در یک نقطه مشخص در سیال توزیع می‌شود. این اصل پاسکال است.
• فشار در یک سیال در یک عمق یا ارتفاع خاص در همه جهات یکسان است.

به طور کلی فشار سیالات را در دو مدل، حالت باز یا با جریان کانال باز و در حالت بسته یا از طریق یک مجرای بسته در نظر می‌گیرند.

از آنجایی که معمولاً فشار تولید شده توسط حرکت سیال کم است، فشار صرفاً بسته به عمق سیال در نظر گرفته می‌شود.

به خاطر داشته باشید که اصطلاح “مایع” به هر چیزی که ممکن است جاری شود، اشاره دارد.

در نتیجه، هم شامل مایعات و هم گازها می‌شود.

2# عوامل مؤثر بر فشار سیالات

فشار سیالات مستقل از مساحت سطح ظرف سیال، شکل آن، یا حجم و جرم کل مایع است.

این فشار تحت تأثیر دو معیار عمق و چگالی سیال می‌باشد.

• عمق سیال: با افزایش عمق سیال، فشار اعمال شده توسط سیال افزایش می‌یابد.
• چگالی سیال: سیالات متراکم‌تر، مانند آب، فشار بیشتری نسبت به مایعات سبک‌تر، مانند هوا، وارد می‌کنند.
  از آنجایی که مولکول‌های یک سیال چگال‌تر به هم نزدیک‌تر هستند، در یک منطقه معین برخوردهای بیشتری وجود دارد.
  در نتیجه فشار بیشتری وارد می‌شود.

همچنین جاذبه نیز باعث افزایش فشار در اعماق بیشتر برای سیالات ساکن به دلیل فشار هیدرواستاتیک می‌شود و بر نرخ جریان، توزیع فشار و عملکرد برای سیالات متحرک بر اساس ملاحظات پتانسیل و انرژی جنبشی تأثیر می‌گذارد.

3# انواع فشار سیالات

دو نوع فشار وجود دارد که در هر سیال ایجاد می‌شود، این دو نوع، فشار هیدرواستاتیک و هیدرودینامیک است که مورد دوم به ویژگی‌های جریان سیال در حین حرکت مربوط می‌شود.

یکی از کاربردهای فشارهای هیدرواستاتیکی و هیدرودینامیکی می‌تواند در پمپ، خطوط لوله، زهکشی یا زهکشی فرانسوی و محیط‌های مختلف سیستم هیدرولیک باشد.

فشار هیدرواستاتیک و هیدرودینامیکی همیشه در داخل یک سیال متحرک وجود دارد و بر بدن مجاور، دیواره سیستم یا سطح هر جسم دیگری فشار وارد می‌کند.

این دو نوع فشار اعمال شده توسط یک سیال در کاربردهایی مانند هیدرولیک، نیروی محرکه و آیرودینامیک مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مفهوم و روش محاسبه هر یک از این فشارها به شرح زیر است:

1-3# فشار هیدرواستاتیک

این فشار ناشی از وزن سیال یا بهتر بگوییم به دلیل نیروی گرانش وارد بر سیال است.

این بدان معناست که یک سیال بسته به عمق جسم در داخل سیال، بدون توجه به حرکت آن، مقداری نیرو بر جسم وارد می‌کند.

فشار هیدرواستاتیک بر اساس عمق زیر سطح سیال h، شتاب گرانش g و چگالی سیال تعریف ساده‌ای دارد:

این تغییر فشار سیالات در عمق منطقی است؛ هر چه یک جسم در زیر سطح یک سیال عمیق‌تر باشد، سیال بیشتری برای اعمال وزن خود بر روی جسم موجود است.

به طور مشابه، یک سیال متراکم‌تر وزن بیشتری در واحد حجم خواهد داشت، بنابراین باید فشار بیشتری را برای یک عمق معین اعمال کند.

تعیین فشار هیدرواستاتیک در هر سیستم نسبتاً ساده است تا زمانی که چگالی سیال مشخص باشد.

به سادگی عمق زیر سطح سیال را اندازه گیری گشته و فشار هیدرواستاتیک به راحتی محاسبه می‌شود.

اگر سیال تراکم پذیر باشد، مانند شبیه سازی FEA/FEM، تا زمانی که میدان چگالی سیال را بتوان تعیین کرد، همین امر صدق می‌کند.

2-3# فشار هیدرودینامیکی

این فشاری است که یک سیال به دلیل حرکت جسم در یک سیال بر جسم وارد می‌کند.

هر کسی که با آیرودینامیک آشنا باشد، احتمالاً این را به عنوان عامل اصلی درجه دوم تشخیص خواهد داد.

در همین راستا، هنگامی که به فعالیت‌های جریان آبی یا دریایی مانند کاویتاسیون، کیفیت آب، ذرات، فعل و انفعالات سطح آزاد برای در نظر گرفتن سرعت جریان یا سرعت جریان نگاه می‌کنید، واقعاً مقدار بسیار قوی شبیه‌سازی را باید در نظر بگیرید.

خوشبختانه هیچ کمبود آبی برای شبیه سازی وجود ندارد و هیدرودینامیک یا جریان هیدرودینامیکی اهمیت خود را در تجزیه و تحلیل مدرن CFD حفظ می‌کند.

فشار هیدرودینامیکی به طور کامل توسط حرکت و چگالی سیال به شرح زیر تعیین می‌شود:

درست مانند فشار هیدرواستاتیکی، فشار هیدرودینامیکی را نیز می‌توان تا زمانی که میدان چگالی و میدان سرعت مشخص باشد، تعیین کرد.

به دلیل رفتار جریان در سیستم‌های پیچیده، شبیه سازی CFD به طور کلی برای محاسبه این زمینه‌ها مورد نیاز است.

برای موارد ساده‌تر جریان‌های تراکم‌ناپذیر لامینار، می‌توان اجزای فشار هیدرواستاتیک و هیدرودینامیک را از نتایج دینامیک سیالات تحلیلی شناسایی کرد.

در حالی که ممکن است واضح نباشد، هر دو فشار هیدرواستاتیک و هیدرودینامیک در نتایجی وجود دارند که می‌توان از معادلات اصلی دینامیک سیالات استخراج کرد.

توجه داشته باشید که معادلات اصلی دینامیک سیالات بیانیه‌های بقای جرم و تکانه هستند؛ اما می‌توانیم نتایجی را استخراج کنیم که فشارهای هیدرواستاتیکی و هیدرودینامیکی، اساس آن‌ها هستند.

یکی از اصولی که فشارهای هیدرواستاتیکی و هیدرودینامیکی نقش اساسی در آن دارد معادله برنولی می‌باشد.

اصل برنولی فشار در یک سیال را با سرعت آن مرتبط می‌کند.

این اصل بیان می‌کند که با افزایش سرعت سیال، فشار آن کاهش می‌یابد و بالعکس.

این اصل به ویژه در درک دینامیک جریان سیال مهم است و در دستگاه‌هایی مانند لوله‌های Pitot که برای اندازه گیری سرعت سیال استفاده می‌شوند، استفاده می‌شود.

4# روش‌های اندازه گیری فشار سیالات

روش‌های مختلفی برای اندازه‌گیری فشار سیال معمولاً استفاده می‌شود.

این روش‌ها عبارت‌اند از:

• مانومتر: مانومتر یک لوله U شکل که با یک سیال غیر قابل تراکم، معمولاً جیوه یا آب پر شده است.
  با اعمال فشار سیال در یک طرف مانومتر،سطح مایع تغییر می‌کند که نشان دهنده فشار است.
  این روش، برای محاسبه فشار سیالات از اندازه گیری فشار تفاضلی استفاده می‌کند.
• لوله بوردون: برای این مدل اندازه گیری یک لوله فلزی منحنی که تحت فشار صاف می‌شود که یک اتصال مکانیکی متصل به فشار سنج را فعال می‌کند.
  لوله‌های بوردوناغلب در گیج‌های فشار آنالوگ استفاده می‌شوند.
• مبدل: مبدل وسیله‌ای الکترومکانیکی که فشار سیال را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند.
  رایج‌ترین انواع، مبدل‌های پیزوالکتریک، کرنش سنج و خازن متغیر هستند.

5# اهمیت فشار سیالات

مفهوم فشار سیالات در مکانیک، حول تکانه یک سیال و چگونگی ارتباط آن با نیروی فشار اعمال شده توسط یک سیال، مطرح می‌گردد.

در یک تعریف، نیروی فشار سیال به نیرویی اطلاق می‌شود که در اثر تغییر در تکانه هنگامی که یک سیال به سطح برخورد می‌کند و سپس تغییر جهت می‌دهد، اعمال می‌شود.

درک این اصول مکانیک سیالات – فشار، نیروهای پسا، و تکانه سیال – تصویر واضحی از چرایی و چگونگی نیروی فشار سیال در کاربردهای مختلف ارائه می‌دهد.

این اصول رفتار سیال را دیکته می‌کنند و بر همه چیز از الگوهای آب و هوا گرفته تا فرایندهای صنعتی تأثیر می‌گذارند و در نهایت نحوه حل مهندسی مسائل دنیای واقعی را شکل می‌دهند.

6# کاربرد فشار سیالات

صحبت در مورد نیروی فشار سیالات یک چیز است؛ اما درک واقعی آن به معنای نگاهی به جلوه‌های آن در زندگی روزمره و در زمینه مهندسی است؛ بنابراین، وقت آن است که با چند مثال عملی توضیح دهیم.

1-6# فشار سیالات در زندگی روزمره

آیا تابه‌حال متوجه شده‌اید که چرا تلاش بیشتری برای شیرجه رفتن در یک استخر نسبت به راه رفتن در آب‌های کم عمق انجام می‌شود؟

این تغییر همچنین به دلیل افزایش نیروی فشار سیال با عمق است.

یک شیر آب خانگی نمونه خوبی از نیروی فشار سیال در زندگی روزمره است.

وقتی شیر آب را می‌بندیم، از نیرو برای غلبه بر فشار سیال سیستم تأمین آب استفاده می‌کنیم.

برعکس، وقتی آن را باز می‌کنیم، نیروی بازدارنده آب را کاهش می‌دهیم و به نیروی فشار سیال اجازه می‌دهیم آب را از دهانه خارج کند.

نمونه دیگری از نیروی فشار مایع در زندگی روزمره را می‌توان در عملکرد یک بطری آبپاش یا اسپری مشاهده کرد.

وقتی ماشه را فشار می‌دهیم، بطری با افزایش فشار داخل آن، مایع را به سمت بالا و خارج از نازل کار می‌کند.

روند دقیق این کار به این صورت است که حرکت روبه‌پایین ماشه باعث کاهش حجم مایع می‌شود و این کاهش حجم باعث افزایش فشار داخل بطری می‌شود؛ زیرا فشار با حجم نسبت عکس دارد.

افزایش فشار، مایع را از طریق لوله بالا می‌برد و از نازل یا دهانه بطری خارج می‌کند.

2-6# فشار سیالات در مهندسی

مفهوم نیروی فشار سیالات برای چندین کاربرد در زمینه مهندسی بسیار مهم است.

با درک و دست‌کاری فشار سیال، مهندسان می‌توانند سیستم‌های مختلف را به طور مؤثر طراحی و استفاده کنند.

یکی از کاربردهای اصلی نیروی فشار سیال در مهندسی در توسعه و بهره برداری از سیستم‌های هیدرولیک دیده می‌شود.

هیدرولیک، در هسته خود، شامل استفاده از سیال (اغلب روغن) برای تولید نیرو یا حرکت در یک سیستم است.

فشار وارد شده توسط سیال داخل سیستم چیزی است که عملکرد این سیستم‌ها را تسهیل می‌کند.

کاربردها از ماشین آلات سنگین مانند حفار و جرثقیل تا وسایل روزمره مانند سیستم‌های ترمز خودرو یا صندلی‌های اداری را شامل می‌شود.

در سیستم‌های ترمز خودرو وقتی پدال ترمز را فشار می‌دهیم، فشار روغن ترمز را افزایش می‌دهد.

این فشار سپس به طور یکنواخت به هر یک از ترمزهای روی چرخ‌ها (به دلیل اصل پاسکال) منتقل می‌شود و باعث کاهش سرعت یا توقف خودرو می‌شود.

بدون درک نیروی فشار سیال، طراحی سیستم‌های مهندسی مانند این غیرممکن خواهد بود.

به طور مشابه، بالابر یا جک هیدرولیک از فشار سیال برای بلند کردن بارهای سنگین با حداقل تلاش استفاده می‌کند.

یکی دیگر از حوزه‌های مهم در مهندسی که در آن نیروی فشار سیال نقش محوری دارد، دینامیک سیالات، زیرشاخه‌ای از مکانیک سیالات که با جریان سیال سروکار دارد، است.

در اینجا، مهندسان نیروهایی را که جریان ایجاد می‌کنند و فشار حاصله را که مستقیماً بر عملکرد بسیاری از فرایندهای صنعتی تأثیر می‌گذارد، مطالعه می‌کنند.

کاربردها دامنه وسیعی دارند؛ از جمله موتورهای احتراقی، سیستم‌های HVAC و حتی مهندسی ترافیک.

3-6# فشار سیالات در سیستم‌های هیدرولیک

سیستم‌های هیدرولیک اساساً در زمینه مهندسی مهم هستند.

آنها بر اساس اصل پاسکال طراحی شده‌اند که بیان می‌کند هر تغییر فشار اعمال شده در هر نقطه از یک سیال به طور یکنواخت در سراسر سیال منتقل می‌شود.

یک سیستم هیدرولیک معمولاً شامل یک مخزن، پمپ و محرک است.

• مخزن: این مخزن مایع هیدرولیک را در خود جای می‌دهد.
• پمپ: این قطعه سیال درون سیستم را به حرکت در می‌آورد.
• محرک: این جایی است که نیروی فشار سیال به نیروی مکانیکی تبدیل می‌شود که معمولاً خطی می‌باشد. مانند سیلندرهای هیدرولیک، یا چرخشی، مانند موتورهای هیدرولیک.

روند کار به این صورت است که هنگامی که نیرو به مایع موجود در مخزن وارد می‌شود، فشار ایجاد می‌کند که از طریق پمپ به محرک حرکت می‌کند، جایی که نیروی فشار سیالات به نیروی مکانیکی برای حرکت تبدیل می‌شود.

این کاربرد به طور قابل توجهی نیروی اعمال شده را چند برابر می‌کند، به‌ عنوان‌ مثال نیروی کوچکی که به جک ماشین هیدرولیک وارد می‌شود را قادر می‌سازد تا یک ماشین سنگین را بلند کند.

4-6# نقش نیروی فشار سیال در هوانوردی

نیروی فشار سیال همچنین نقش مهمی در زمینه هوانوردی، از عملکرد موتورهای جت گرفته تا آیرودینامیک هواپیما، دارد.

درک و دست‌کاری فشار هوا، شکلی از نیروی فشار سیال، برای کنترل صعودها، فرودها و پیچ‌ها اهمیت دارد.

علاوه بر این، سیستم‌های هیدرولیک هواپیما از نیروی فشار سیال برای کارکرد کنترل‌ها، از جمله حرکات سکان، آیلرون و آسانسور استفاده می‌کنند.

به‌عنوان‌مثال، بالابر هواپیما که برای پرواز آن بسیار مهم است، به شدت به تغییرات فشار بستگی دارد.

اشکال ایرفویل (مانند بال هواپیما) برای ایجاد اختلاف فشار طراحی شده‌اند.

این تفاوت باعث ایجاد نیروی بالابری می‌شود که به هواپیما اجازه می‌دهد از گرانش سرپیچی کند.

5-6# نیروی فشار سیالات در طبیعت

نیروی فشار سیالات نقش مهمی در حفظ حیات روی زمین دارد.

این فشار آنقدر قدرتمند است که می‌تواند وزن یک ستون آب به ارتفاع 10.3 متر را تحمل کند.

همه ما می‌دانیم که الگوهای آب و هوا چقدر می‌توانند غیر قابل پیش بینی باشند.

نیروی فشار سیال نقش عمده‌ای در این الگوها دارد.

تغییرات در فشار اتمسفر باعث تغییرات در شرایط آب و هوایی می‌شود.

به‌ عنوان‌ مثال، فشار بالا اغلب منجر به آسمان صاف و آب و هوای آرام می‌شود، در حالی که فشار پایین معمولاً منجر به شرایط شدیدتری مانند طوفان و باران می‌شود.

سخن آخر

با عمیق‌تر شدن در قلب مکانیک نیروی فشار سیال، می‌توان دنیایی را کشف کرد که در آن قوانین علمی، اصول و نیروها همزیستی دارند.

این دنیای پیچیده‌ای است که در آن قوانین اساسی فیزیک به طور هنرمندانه ای با کاربردهای عملی روزمره در قلمرو مهندسی در هم می‌آمیزد.

معنای نیروی فشار سیال در ظرفیت ذاتی آن برای ایجاد حرکت (جایی که سیال بیش از حد است) و توقف حرکت (در جایی که فشار سیال ناکافی است) و حفظ تعادل در یک سیستم نهفته است.

اهمیت واقعی نیروی فشار سیال در مفاهیم عملی آن و تأثیر آن بر دنیای اطراف شما آشکار می‌شود.

نیروی فشار سیال برای بسیاری از زمینه‌های مهندسی ضروری است و بر کاربردهای مختلف از طراحی سیستم‌های هیدرولیک تا ایجاد پیش‌بینی آب و هوا تأثیر می‌گذارد.

درک اثرات آن می‌تواند به طراحی سیستم‌های کارآمدتر و پیش‌بینی رفتار سیستم‌های مبتنی بر سیال طبیعی و مصنوعی کمک کند.