ของไหล (Fluid)
ความนิยมของผู้ชม: / 54
แย่มากดีมาก 

  

ของเหลวเป็นสถานะหนึ่งของสสาร มีปริมาตรคงตัวและมีรูปร่างตามภาชนะที่บรรจุ ส่วนก๊าซเป็นอีกสถานะหนึ่งของสสาร มีรูปร่างและปริมาตรไม่คงตัว ขึ้นกับภาชนะที่บรรจุ ทั้งของเหลวและก๊าซสามารถไหลจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่งได้ จึงเรียกของเหลวและก๊าซว่า ของไหล (fluid) สมบัติของของไหลได้แก่ ความหนาแน่น ความดัน ความตึงผิวและความหนืด พฤติกรรมของของไหลทั้งที่อยู่นิ่งและเคลื่อนที่อธิบายได้ด้วยหลักและกฎทางฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้อง

 


ความหนาแน่น (density) เป็นสมบัติเฉพาะตัวของสารแต่ละชนิด หาได้จากอัตราส่วนระหว่างมวลและปริมาตร



เมื่อ m คือ มวลของสาร
เมื่อ-v คือ ปริมาตร
เมื่อ ρ คือ ความหนาแน่นของสาร

ความหนาแน่นเป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็นกิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร

อาจบอกความหนาแน่นของสารใดๆ เป็น ความหนาแน่นสัมพัทธ์ (
relative density) โดยความหนาแน่นสัมพัทธ์ของสารใดๆ เป็นความหนาแน่นของสารนั้นเทียบกับความหนาแน่นของสารอ้างอิง ซึ่งนิยมใช้น้ำบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียส ซึ่งมีความหนาแน่นมากที่สุดเท่ากับ 1.000 x 103 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร ตัวอย่างเช่น จะหาความหนาแน่นสัมพัทธ์ของปรอท (ปรอทมีความหนาแน่น 13.6 x 103 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร) ความหนาแน่นสัมพัทธ์ของปรอทจึงเท่ากับ หรือ 13.6 หมายความว่าปรอทมีความหนาแน่นเป็น 13.6 เท่าของความหนาแน่นของน้ำ หรือปรอทมีมวลเป็น 13.6 เท่าของน้ำ เมื่อสารทั้งสองมีปริมาตรเท่ากัน

ในอดีตเคยเรียกความหนาแน่นของสารเทียบกับความหนาแน่นของน้ำว่า ความถ่วงจำเพาะ (
specific gravity) ซึ่งเป็นตัวเลขไม่มีหน่วย ปัจจุบันใช้ความหนาแน่นสัมพัทธ์ของสาร

ตัวอย่าง นักสำรวจเดินทางด้วยบอลลูนบรรจุก๊าซ ก่อนออกเดินทาง เขาบรรจุก๊าซฮีเลียมที่มีปริมาตร 600 ลูกบาศก์เมตร และมวล 95 กิโลกรัม ขณะนั้นก๊าซฮีเลียมในบอลลูนมีความหนาแน่นเท่าใด

ในภาชนะที่มีของเหลว จะมีแรงเนื่องจากของเหลวกระทำต่อภาชนะ โดยมีทิศตั้งฉากกับผนังที่ของเหลวสัมผัสเสมอ ขนาดของแรงที่ของเหลวกระทำตั้งฉากต่อพื้นที่หนึ่งหน่วย เรียกว่า ความดันในของเหลว (pressure) ความดันในของเหลวชนิดหนึ่งๆ เป็นสัดส่วนตรงกับความหนาแน่นของของเหลวและความลึก


 

เมื่อ F คือ แรงที่ของเหลวกระทำตั้งฉากกับพื้นที่ A
เมื่อ P คือ ความดันที่เกิดจากของเหลวกระทำบนพื้นที่ A

ความดันเป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยนิวตันต่อตารางเมตร (N/m2) หรือพาสคัล (pascal) ซึ่งย่อว่า (Pa)

ความดันเกจ (gauge pressure) เป็นความดันเนื่องจากน้ำหนักของของเหลวเพียงอย่างเดียว ส่วนความดันสัมบูรณ์ (absolute pressure) เป็นผลรวมของความดันเกจกับความดันบรรยากาศ เครื่องมือวัดความดันของของเหลวมีหลายชนิด ได้แก่ แมนอมิเตอร์ (
manometer) และบารอมิเตอร์ (barometer)

ความดันสมบูรณ์ = ความดันบรรยากาศ + ความดันเกจ

เมื่อ Pa คือ ความดันบรรยากาศ
เมื่อ ρ คือ ความหนาแน่นของของเหลว
เมื่อ g คือ ค่าสนามโน้มถ่วงของโลก
เมื่อ h คือ ความลึกจากผิวหน้าของของเหลว

ปรากฏการณ์หลายอย่างและเครื่องมือบางชนิดที่ใช้ในชีวิตประจำวัน อธิบายได้โดยใช้ความรู้เกี่ยวกับความดัน เช่น เครื่องวัดความดันโลหิต

เครื่องวัดความดันโลหิต

เครื่องวัดความดันโลหิต ประกอบด้วยถุงลม cuff แมนอมิเตอร์ปรอท (ที่แสดงความดัน) ที่ปั๊มลม หูฟังชีพจร (stethoscope)

การใช้งาน ใช้หูฟังชีพจรหาตำแหน่งของเส้นเลือดของแขนส่วนบนใกล้กับข้อพับ จากนั้นพันถุงลม cuff รอบแขนส่วนบน (ไม่มีเสื้อผ้ากั้นระหว่างแขนกับถุงลม cuff) ต่อจากนั้นปั๊มลมเข้าถุง จนกระทั่งความดันประมาณ 200 mmHg ระวังอย่าให้เกินนี้ จะเป็นอันตรายได้ ค่อยๆ ปล่อยลมออกจากถุง อ่านค่าความดันเมื่อได้ยินเสียงตุ๊บแรกของชีพจรเป็นความดันตัวบน (systolic pressure)

คำอธิบาย ขณะที่ถุงลมมีความดันสูงกว่าความดันโลหิต เลือดจะหยุดไหลในเส้นเลือดทำให้ไม่ได้ยินเสียงชีพจร (การเต้นของเส้นเลือดเนื่องจากการบีบตัวของหัวใจ) ต่อมาเมื่อค่อยๆ ลดความดันลง จนกระทั่งมีความดันเท่ากับความดันโลหิต เลือดจะเริ่มเดินในเส้นเลือด ทำให้เราได้ยินเสียงของชีพจร เป็นความดันขณะที่หัวใจบีบเต็มที่

ต่อไปลดความดันลมลงอีกอย่างช้าๆ จะได้ยินเสียงชีพจรไปเรื่อยๆ จนกระทั่งเสียงเงียบ อ่านความดันจะได้ความดันตัวล่าง (
diastolic pressure) เป็นความดันขณะที่หัวใจคลายตัวเต็มที่ (ภาวะพัก) ทำให้การเคลื่อนที่ของเลือดในหลอดเลือดหยุดชั่วขณะ

เมื่อเพิ่มความดัน ณ ตำแหน่งใดๆ ในของเหลวที่อยู่นิ่งในภาชนะปิด ความดันที่เพิ่มขึ้นจะถูกส่งผ่านไปยังทุกๆ จุดในของเหลวนั้น หลักการนี้เรียกว่า กฎของพาสคัล (Pascal's law) กฎของพาสคัลใช้อธิบายการทำงานของเครื่องกลผ่อนแรง เช่น เครื่องอัดไฮดรอลิก

เครื่องอัดไฮดรอลิก

เครื่องอัดไฮดรอลิก ประกอบด้วยกระบอกสูบและลูกสูบ 2 ชุดเชื่อมถึงกัน ภายในกระบอกสูบนี้บรรจุของเหลวไว้ เมื่อออกแรงที่ลูกสูบเล็กทำให้เกิดความดันตามกฎของพาสคัล ความดันนี้จะไปปรากฏที่ลูกสูบใหญ่ด้วย เครื่องอัดไฮดรอลิกจึงเป็นเครื่องผ่อนแรงชนิดหนึ่ง นอกจากนี้ แม่แรงสำหรับยกรถยนต์ ห้ามล้อไฮดรอลิก ฯลฯ ล้วนแต่ใช้หลักการของเครื่องอัดไฮดรอลิกทั้งนั้น



เมื่อ a คือ พื้นที่หน้าตัดของลูกสูบเล็ก
เมื่อ A คือ พื้นที่หน้าตัดของลูกสูบใหญ่
เมื่อ W คือ น้ำหนักที่กดลงบนลูกสูบใหญ่
เมื่อ F คือ แรงที่กดลงบนลูกสูบเล็ก

ตัวอย่าง ลูกสูบใหญ่ของแม่แรงยกรถยนต์เครื่องหนึ่งมีพื้นที่เํป็น 50 เท่าของลุกสูบเล็ก ถ้าต้องการยกรถมวล 1,300 กิโลกรัม จะต้องออกแรงกดที่ลูกสูบเล็กเท่าไร

ขณะที่ปลาอยู่ในน้ำ ความดันน้ำจะทำให้มีแรงของน้ำกระทำต่อตัวปลา โดยเมื่อรวมแรงทุกแรงแล้ว แรงลัพธ์ที่กระทำต่อด้านล่างของตัวปลาในทิศขึ้นจะมีขนาดมากกว่าแรงลัพธ์ที่กระทำต่อด้านบนของตัวปลาในทิศลง เพราะความดันของน้ำที่ส่วนล่างมีค่ามากกว่าความดันของน้ำที่ส่วนบน ดังนั้น การรวมแรงทั้งหมดที่น้ำกระทำต่อตัวปลาจึงเป็นแรงลัพธ์ของแรงดังกล่าวที่มีทิศขึ้น เรียกแรงลัพธ์นี้ว่า แรงลอยตัว (buoyant force) FB

อาร์คิมีดีส (
Archimedes) นักปราชญ์ชาวกรีก เป็นผู้ค้นพบธรรมชาติของแรงลอยตัว และได้เสนอหลักการเกี่ยวกับการลอยและการจมของวัตถุซึ่งเรียกว่า หลักของอาร์คิมีดีส (Archimedes' principle) ดังนี้ วัตถุที่จมในของเหลวหมดทั้งก้อนหรือจมแต่เพียงบางส่วน จะถูกแรงลอยตัวกระทำ และแรงลอยตัวจะเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกวัตถุนั้นแทนที่

หลักของอาร์คิมีดีสจึงอาจเขียนได้ดังนี้

ในกรณีวัตถุจม1-ขนาดแรงลอยตัว = ขนาดน้ำหนักของของเหลวที่มีปริมาตรเท่ากับวัตถุ
ในกรณีวัตถุลอย ขนาดแรงลอยตัว = ขนาดน้ำหนักของของเหลวที่มีปริมาตรเท่ากับวัตถุส่วนที่จมในของเหลว

เราสามารถนำความรู้เรื่องการลอยตัวไปอธิบายสมบัติต่างๆ ของของเหลวได้ และสามารถสรุปเป็นหลักทั่วไปได้ว่า เมื่อวัตถุอยู่ในของเหลวจะมีแรงลอยตัวกระทำเนื่องจากของเหลวนั้นส่งความดันกระทำต่อวัตถุเสมอ

ในชีวิตประจำวัน เราจะพบว่ามีวัตถุหลายชนิดลอยในของเหลวได้ โดยมีปริมาตรส่วนหนึ่งจมอยู่ในของเหลวและอีกส่วนหนึ่งอยู่พ้นผิวของเหลว เช่น โฟม น้ำแข็ง และไม้ก๊อกสามารถลอยในน้ำได้ และมีวัตถุอีกหลายชนิดที่จมในของเหลว เช่น ก้อนหินและเหล็กจมน้ำแต่ลอยในปรอท ถ้าวัตถุใดจมในของเหลว แสดงว่าน้ำหนักของวัตถุมากกว่าแรงลอยตัวในของเหลว และถ้าวัตถุใดลอยในของเหลว แสดงว่าแรงลอยตัวในของเหลวมีค่าเท่ากับน้ำหนักของวัตถุ

ไฮโดรมิเตอร์ (
hydrometer) เป็นอุปกรณ์สำหรับใช้วัดความหนาแน่นของของเหลว โดยใช้หลักการเกี่ยวกับการลอยและการจมของวัตถุในของเหลว ไฮโดรมิเตอร์ประกอบด้วยหลอดแก้วยาวที่มีปลายปิดทั้งสองข้าง ปลายข้างหนึ่งเป็นกระเปาะสำหรับบรรจุเม็ดโลหะเล็กๆ เมื่อนำไฮโดรมิเตอร์ไปลอยในของเหลวต่างชนิดกัน ไฮโดรมิเตอร์จะจมได้ลึกไม่เท่ากัน บนหลอดแก้วมีสเกลบอกความหนาแน่นสัมพัทธ์กับความหนาแน่นของน้ำ

หลักการของไฮโดรมิเตอร์

เมื่อนำวัตถุชนิดหนึ่งไปลอยในของเหลวต่างชนิดกัน วัตถุจะมีส่วนที่จมและลอยในของเหลวแต่ละชนิดไม่เท่ากัน เช่น นำแท่งไม้ไปลอยในน้ำเชื่อม น้ำ แอลกอฮอล์ พบว่า แท่งไม้จมแอลกอฮอล์มากที่สุด รองลงมาเป็นน้ำและน้ำเชื่อมตามลำดับ สรุปได้ว่า แท่งไม้จมได้น้อยในของเหลวที่มีความหนาแน่นมาก และจมได้มากในของเหลวที่มีความหนาแน่นน้อย ดังนั้น ความลึกของส่วนที่จมของวัตถุในของเหลวใดๆ จึงบอกความหนาแน่นของของเหลวนั้นได้

ที่ผิวของเหลวจะมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของของเหลวด้วยกัน (cohesion) พยายามยึดผิวของเหลวให้ตึง (ให้มีพื้นที่น้อยที่สุด) เรียกว่า แรงดึงผิว (surface force) เมื่อของเหลวสัมผัสกับภาชนะและสัมผัสกับอากาศจะมีแรงเกาะติด (adhesion) ที่เกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลของของเหลวกับโมเลกุลของภาชนะและโมเลกุลของอากาศ แรงดึงผิวของของเหลวจะมีทิศขนานกับผิวของเหลวและตั้งฉากกับเส้นขอบที่ของเหลวสัมผัส

อัตราส่วนระหว่างแรงดึงผิวกับความยาวเส้นขอบของรอยฉีกที่ผิวซึ่งสัมผัสกับอากาศ เรียกว่า ความตึงผิว (
surface tension) ปรากฏการณ์บางอย่างเกิดจากความตึงผิวของของเหลว เช่น การโค้งของผิวของเหลว การซึมตามรูเล็ก ฟองอากาศและหยดน้ำ



เมื่อ F คือ ขนาดของแรงดึงผิว
เมื่อ l คือ ความยาวเส้นขอบของรอยฉีกที่ผิวซึ่งสัมผัสกับอากาศ
เมื่อ γ คือ ความตึงผิวของของเหลว

ความตึงผิวของของเหลว มีหน่วยนิวตันต่อเมตร (N/m)

การโ้ค้งของผิวของเหลว

เมื่อเทของเหลวลงในภาชนะและของเหลวนั้นอยู่นิ่ง สังเกตผิวของเหลวจะพบว่า ผิวของเหลวตรงบริเวณที่สัมผัสผิวภาชนะมีลัักษณะโค้ง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การโค้งของผิวของเหลว (
meniscus effect) ซึ่งเกิดจากแรงระหว่างโมเลกุล (intermolecular force) สองชนิด คือ แรงเชื่อมแน่น (cohesive force) ซึ่งเป็นแรงระหว่างโมเลกุลชนิดเดียวกัน และแรงยึดติด (adhesive force) ซึ่งเป็นแรงระหว่างโมเลกุลต่างชนิดกัน

จากปรากฏการณ์การโค้งของผิวของเหลว จะเห็นว่า ผิวของเหลวกับผิวของแข็งจะทำมุมกัน สำหรับของเหลวและของแข็งคู่หนึ่งๆ มุมระหว่างผิวทั้งสองมีค่าต่างกัน มุมระหว่างผิวของเหลวกับผิวของแข็ง ณ จุดสัมผัส เรียกว่า มุมสัมผัส θ (angle of contact) ซึ่งมีค่าตั้งแต่ 0° - 180°

รูปร่างของน้ำบนผิวที่ต่างกัน

มุมสัมผัสจะบอกให้ทราบว่า เมื่อของเหลวอยู่บนพื้น ผิวของเหลวนั้นจะอยู่ในสภาพเป็นหยด (ไม่ทำให้พื้นผิวเปียก) หรือแผ่กระจาย (ทำให้พื้นผิวเปียก) โดยพิจารณาดังนี้ มุมสัมผัสที่มีค่าระหว่าง 0-90 องศา ของเหลวจะแผ่กระจายและเปีียกพื้น มุมสัมผัสที่มีค่าระหว่าง 90-180 องศา ของเหลวจะเป็นก้อนและไม่เปียกพื้น

ในการออกแบบสินค้า เช่น ร่ม เต๊นท์ เสื้อผ้าที่กันน้ำได้ ผู้ผลิตได้ใช้ผ้าที่เคลือบด้วยสารบางอย่าง ทำให้มุมสัมผัสมีค่ามากกว่า 90 องศา เมื่อผ้าถูกน้ำหรือน้ำฝน น้ำจะอยู่ในสภาพเป็นหยดน้ำบนผ้า แทนที่จะแตกกระจายและซึมผ่านเนื้อผ้าเข้าไป

การซึมตามรูเล็ก

ระดับน้ำและระดับปรอทในหลอดแก้วรูเล็กปลายเปิดทั้งสองข้าง

จากปรากฏการณ์ซึมตามรูเล็ก เมื่อจุ่มหลอดรูเล็กลงในน้ำ น้ำจะเข้าไปในหลอดและมีระดับสูงกว่าระดับน้ำนอกหลอด ความสูงของน้ำนี้จะมีค่าคงตัวไม่ว่าปลายหลอดรูเล็กที่จุ่มอยู่ในน้ำจะอยู่ลึกเท่าใด แต่สำหรับกรณีหลอดรูเล็กจุ่มลงในปรอท ระดับปรอทในหลอดจะอยู่ต่ำกว่าระดับปรอทภายนอกหลอด เป็นเพราะแรงเชื่อมแน่นระหว่างโมเลกุลของปรอทมีค่ามากกว่าแรงยึดติดระหว่างโมเลกุลของปรอทกับโมเลกุลของแก้วของหลอดรูเล็ก ระดับปรอทภายในหลอดและภายนอกหลอดที่ต่างกันนี้มีค่าคงตัว ไม่ว่าปลายหลอดรูเล็กที่จุ่มอยู่ในปรอทจะอยู่ลึกเท่าใด

นอกจากนี้ ยังมีปรากฏการณ์การซึมตามรูเล็กที่พบเห็นในชีวิตประจำวันอีก เช่น การซึมของน้ำเข้าไปในผ้าผ่านช่องว่างระหว่างเส้นใยผ้า การซึมของน้ำเข้าไปในเยื่อกระดาษผ่านรูเล็กๆ หรือช่องว่างระหว่างอนุภาคของเยื่อกระดาษ การซึมของน้ำจากรากพืชขึ้นไปตามลำต้นโดยอาศัยท่อไซเล็ม (
xylem) หรือท่อส่งอาหารของพืช การซึมของน้ำเกลือที่อยู่ใต้ดินขึ้นสู่ผิวดินในภาคอีสาน เป็นต้น

เมื่อใช้ช้อนคนของเหลว เช่น น้ำ น้ำเชื่อม และนมข้นหวาน จะพบว่าการคนนมข้นหวานจะใช้แรงมากกว่าการคนน้ำ และการคนน้ำเชื่อมจะใช้แรงมากกว่าการคนน้ำ ทั้งนี้ เป็นเพราะของเหลวทั้งสามชนิดมี ความหนืด (viscosity) ก๊าซก็มีความหนืดเช่นกัน แต่ความหนืดของก๊าซน้อยกว่าความหนืดของของเหลวมาก

เรียงจากของไหลที่มีความหนืดน้อยไปยังของไหลที่มีความหนืดมาก

ของไหลที่มีความหนืดมากจะมีแรงต้านการเคลื่อนที่ของวัตถุในของไหลนั้นมาก แรงต้านการเคลื่อนที่อันเนื่องมาจากความหนืดของของไหล เรียกว่า แรงหนืด (viscous force)

เมื่อเทกลีเซอรอลใส่กระบอกใส แล้วปล่อยลูกกลมโลหะขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1 มิลลิเมตร ลงในกลีเซอรอล และสังเกตการเคลื่อนที่ของลูกกลมโลหะ จะพบว่า ในช่วงต้นของการเคลื่อนที่ ลูกกลมโลหะเคลื่อนที่โดยมี
ความเร่ง หลังจากนั้นก็เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัว เรียกความเร็วนี้ว่า ความเร็วปลาย (terminal velocity)

ที่เป็นเช่นนี้เพราะในช่วงต้นของการเคลื่อนที่ ลูกกลมโลหะเคลื่อนที่โดยมีความเร่งภายใต้
แรงลัพธ์ขนาดหนึ่ง ต่อมาเมื่อลูกกลมโลหะมีความเร็วสูงขึ้นแรงลัพธ์นั้นลดลงๆ จนมีค่าเป็นศูนย์ ลูกกลมโลหะจึงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัว

จาก
หลักการของอาร์คิมีดีสและกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน ขณะที่ลูกกลมโลหะตกในกลีเซอรอล (หรือของไหลอื่น) ลูกกลมจะถูกแรงสามแรง คือ น้ำหนัก (W) ของลูกกลมโลหะ แรงลอยตัว (FB) และแรงหนืด (F) ของกลีเซอรอล ซึ่งขึ้นอยู่กับความเร็วของลูกกลมโลหะ

แรงที่กระทำต่อลูกกลมโลหะที่ตกในของเหลว

เมื่อพิจารณาแรงทั้งสามนี้ จะพบว่า น้ำหนักของลูกกลมโลหะและแรงลอยตัวมีค่าคงตัว ดังนั้น การที่แรงลัพธ์เปลี่ยนไปจึงเกิดจากแรงหนืดเพียงแรงเดียว กล่าวคือ เมื่อเริ่มเคลื่อนที่แรงหนืดจะมีขนาดน้อยกว่าผลต่างของน้ำหนักและแรงลอยตัว ดังรูป ก. เมื่อลูกกลมโลหะเคลื่อนที่เร็วขึ้นแรงหนืดจะมีขนาดมากขึ้นจนทำให้แรงลัพธ์ที่กระทำต่อลูกกลมโลหะเป็นศูนย์ ลูกกลมโลหะจึงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัว ดังรูป ข. จึงสรุปได้ว่า แรงหนืดที่กระทำต่อวัตถุขึ้นอยู่กับขนาดความเร็วของวัตถุและแรงนี้มีในทิศตรงกันข้ามกับทิศการเคลื่อนที่ของวัตถุ

สโตกส์ (Sir George Stokes) ได้ทดลองหาแรงหนืดที่กระทำต่อวัตถุทรงกลมขณะเคลื่อนที่ในของเหลว พบว่า แรงหนืดแปรผันตรงกับความเร็วของวัตถุทรงกลม ดังสมการ



เมื่อ F คือ แรงหนืด
เมื่อ r คือ รัศมีของวัตถุทรงกลมตัน
เมื่อ v คือ ความเร็วของวัตถุทรงกลมตัน
เมื่อ η คือ สัมประสิทธิ์ความหนืดของของไหล

ความหนืดมีหน่วยนิวตัน วินาทีต่อตารางเมตร (N/m2) หรือ พาสคัล วินาที (Pa s) ในอดีตหน่วยของความหนืด (ในระบบ cgs) คือ ปัวส์ (poise) แทนด้วยสัญลักษณ์ P โดยที่ 1 Pa s = 10 P

พลศาสตร์ของของไหลเป็นการศึกษาของไหลที่มีการเคลื่อนที่ โดยสมมติให้ของไหลเป็นของไหลอุดมคติ พฤติกรรมของของไหลอุดมคติอธิบายได้ด้วย สมการความต่อเนื่อง (the equation of continuity) สมการของแบร์นูลลี (Bernoulli's equation) และหลักของแบร์นูลลี (Bernoulli's principle) ความรู้เกี่ยวกับหลักการของแบร์นูลลีนำไปใช้อธิบายการทำงานของอุปกรณ์บางอย่าง เช่น เครื่องพ่นสี การทำงานของปีกเครื่องบิน เป็นต้น รวมทั้งใช้อธิบายปรากฏการณ์บางอย่างในชีวิตประจำวัน

สมการความต่อเนื่อง (the equation of continuity) กล่าวว่า ผลคูณระหว่างพื้นที่หน้าตัดกับอัตราเร็วของของไหลในอุดมคติ ไม่ว่าจะอยู่ที่ตำแหน่งใดในหลอด การไหลจะมีค่าคงตัวเสมอ

ผลคูณ Av เรียกว่า อัตราการไหล (volume flow rate หรือ volume flux) มีหน่วยลูกบาศก์เมตรต่อวินาที

จากสมการจะเห็นว่าอัตราเร็วของไหลแปรผกผันกับพื้นที่หน้าตัดของหลอดการไหล นั่นคือ ถ้าพื้นที่หน้าตัดเล็ก อัตราเร็วจะมาก และถ้าพื้นที่หน้าตัดใหญ่ อัตราเร็วจะน้อย

สมการของแบร์นูลลี (Bernoulli's equation) กล่าวว่า ผลรวมของความดัน พลังงานจลน์ต่อหนึ่งหน่วยปริมาตร และพลังงานศักย์โน้มถ่วงต่อหนึ่งหน่วยปริมาตร ณ ตำแหน่งใดๆ ภายในท่อที่ของไหลผ่าน มีค่าคงตัวเสมอ

เมื่อ P คือ ความดัน
เมื่อ ρ คือ ความหนาแน่น
เมื่อ v คือ อัตราเร็ว
เมื่อ h คือ ความสูง

จากสมการของแบร์นูลลี จะเห็นว่า ถ้าระดับคงตัวเมื่อของไหลมีอัตราเร็วเพิ่ม ความดันของของไหลจะลด และเมื่อของไหลมีอัตราเร็วลดลง ความดันของของไหลจะเพิ่มขึ้น ข้อสรุปนี้เรียกว่า หลักของแบร์นูลลี (Bernoulli's principle)

อุปกรณ์พ่นสี

เมื่ออากาศผ่านท่อไปยังหัวฉีด อัตราเร็วของอากาศที่ผ่านหัวฉีดจะสูงกว่าอัตราเร็วของอากาศที่ผ่านตามท่อ เพราะหัวฉีดมีขนาดเล็กกว่าท่อมาก ดังนั้น ความดันของอากาศบริเวณหัวฉีดจึงน้อยมาก สารละลายของสีที่อยู่ในกระป๋องซึ่งมีความดันสูงกว่า จึงเคลื่อนที่ผ่านท่อไปผสมกับอากาศที่บริเวณหัวฉีด ทำให้ทั้งอากาศและเม็ดสีถูกฉีดและกระจายออกทางหัวฉีดด้วยอัตราเร็วสูง การทำงานของคาร์บูเรเตอร์ของเครื่องยนต์ก๊าซโซลีนหรือขวดสเปรย์น้ำหอมก็อาศัยหลักการเดียวกันนี้

ปีกเครื่องบิน

วิศวกรออกแบบปีกเครื่องบินทำงานออกแบบโดยอาศัยสมการของแบร์นูลลี โดยออกแบบให้ด้านบนของปีกมีความโค้งมากกว่าด้านล่าง เมื่อเครื่องบิน อากาศที่บริเวณผิวปีกด้านบนต้องเคลื่อนที่ได้ระยะทางไกลกว่าอากาศที่บริเวณผิวปีกด้านล่าง ดังนั้น อัตราเร็วของอากาศที่บริเวณผิวปีกด้านบนจะสูงกว่าอัตราเร็วของอากาศที่ผิวปีกด้านล้าง ทำให้ความดันของอากาศที่ผิวปีกด้านล่างมากกว่าที่ผิวปีกด้านบน จึงเป็นผลให้เกิดแรงยกขึ้นกระทำที่ปีกเครื่องบิน เครื่องบินจึงสามารถบินขึ้นได้

ที่มาข้อมูล : หนังสือเรียนสาระการเรียนรู้พื้นฐานและเพิ่มเติม ฟิสิกส์เล่ม 2. ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 5
คู่มือครูสาระการเรียนรู้พื้นฐาน และเพิ่มเติม ฟิสิกส์เล่ม 2. ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 5


Views: 75481

Be first to comment this article

Only registered users can write comments.
Please login or register.

Powered by AkoComment Tweaked Special Edition v.1.4.6
AkoComment © Copyright 2004 by Arthur Konze - www.mamboportal.com
All right reserved

 
< ก่อนหน้า   ถัดไป >

 

Statistics

สถิติผู้เยี่ยมชม: 43892184

Who's Online

ขณะนี้มี 3 บุคคลทั่วไป ออนไลน์