«سیال» به معنی در جریان و بسیار روان است و در مورد هر ماده‌ای که قابلیت جاری شدن داشته باشد، اعمال می‌شود. سیال را ماده‌ای تعریف می‌کنیم که وقتی تنش برشی هر چند کوچک وجود داشته باشد، شکل آن بطور پیوسته تغییر کند. سیالات دارای حالتهای تراکم‌پذیر و تراکم‌ناپذیر می‌باشند که حرکتشان وابسته به چگالیشان می‌باشد.

مواد بینگهام

در موادی مانند پارافین که گاهی آنها را پلاستیک می‌نامیم، هر دو نوع تغییر شکل برشی را می‌توان یافت که به مقدار تنش برشی بستگی دارد. وقتی مقدار تنش برشی از مقدار معینی کمتر باشد، تغییر مکانهایی مشابه تغییر مکان جسم جامد بوجود می‌آید. تنش برشی حد فاصل ، به نوع و حالت ماده بستگی دارد. اینگونه مواد را مواد بینگهام می‌گویند.

انواع سیالات

سیال تراکم‌ناپذیر

در بررسی انواع مختلف سیالاتی که تحت شرایط استاتیکی قرار دارند، پی می‌بریم که بعضی از سیالات ، علی‌رغم وجود فشارهای زیاد ، تغییرات چگالی بسیار کمی ‌دارند. حالت مایع بودن این سیالات به خاطر همین رفتار است. تحت چنین حالتی ، سیال را تراکم‌ناپذیر می‌نامند و در ضمن محاسبات فرض می‌کنند چگالی آن ثابت است. مطالعه سیالات تراکم‌ناپذیر را در شرایط استاتیکی ، هیدرولیک می‌نامند.

سیال تراکم‌پذیر

در جایی که چگالی را تحت شرایط استاتیکی نتوان ثابت گرفت، مانند یک گاز ، سیال را تراکم‌پذیر می‌گویند و برای مشخص کردن این دسته از مسائل اغلب از نام آئروستاتیک بهره می‌گیریم. این طبقه‌بندی از لحاظ تراکم‌پذیری ، در محدوده علم استاتیک صورت می‌گیرد. در دینامیک سیالات ، اینکه چه وقت می‌توان چگالی را ثابت گرفت، تنها به نوع سیال بستگی ندارد.

حرکات انواع سیالات

حرکت سیال غیریکنواخت

از آنجا که سیال نمی‌تواند بدون حرکت در برابر تنش برشی مقاومت کند، سیال ساکن لزوما باید بطور کامل از تنش فارغ باشد. سیالی که حرکت یکنواخت دارد، یعنی جریانی که در آن سرعت تمام اجزا یکسان است، نیز فارغ از تنش برشی است، زیرا تغییر سرعت در تمام جهتها در جریان یکنواخت باید صفر باشد ( v/∂n=0∂).

حرکت سیال غیرچسبناک

سیالی را که چسبناکی آن از لحاظ نظری صفر است، سیال غیرچسبناک می‌گویند. از آنجا که قسمت اعظم جریانها ، آثار چسبناکی ناچیز و قابل صرفنظری دارند، لذا ایده‌آل‌سازی و ساده‌سازی‌های ناشی از آن را اغلب به خوبی می‌توان بهره گرفت. قانون حرکت نیوتن را برای یک جرم منشوری بینهایت کوچک سیال در داخل جریان می‌توان بکار برد.

حرکت سیال چسبناک

آثار چسبناکی را در نظر می‌گیریم، البته معنی‌اش این است که تنشهای برشی حضور دارند، یعنی 9 تنش غیر صفر وارد به سه وجه متعامد در یک نقطه ، می‌تواند وجود داشته باشد. برای اینکه تنش در یک نقطه را مورد بحث قرار دهیم، بهتر است که یک چهاروجهی بینهایت کوچک از سیال را بررسی کنیم. 9 تنش بر وجه عقبی چهاروجهی وارد می‌آید. با بکارگیری قوانین حرکت نیوتن در جهت عمود بر سطح مایل چهار وجهی ، تنش برشی را می‌توان برحسب 9 تنش قائم بر صفحات مرجع بدست آورد.

تغییر فشار در یک سیال

برای توزیع فشار در سیالات ، تعادل نیروهای وارد بر یک جز بینهایت کوچک سیال را در نظر می‌گیریم. نیروهای وارد بر این جز از فشار محیط اطراف و نیروی گرانشی ناشی می‌شوند. اگر فشار فقط در جهت محور z باشد که برخلاف جهت شتاب جاذبه گرانشی (ثقل) انتخاب شده است، می‌تواند تغییر کند. از آنجا که P فقط در جهت z تغییر می‌کند و تابعی از x و y نیست، از معادله زیر می‌توان استفاده کرد:




این معادله دیفرانسیل برای هر سیال استاتیک تراکم‌پذیر واقع در یک میدان گرانشی صادق است. برای ارزیابی خود توزیع فشار ، بین دو حد که بطور متناسب انتخاب شده اند، با انتگرالگیری از رابطه فوق خواهیم داشت:




که در آن d عبارت است از فاصله زیر سطح آزاد. P-P_atm یعنی فشار بالای فشار جو را ، فشار نسبی (پیمانه‌ای) می‌گوییم.

تغییر فشار با ارتفاع در یک سیال استاتیک تراکم‌پذیر

فواصل عمومی‌ گازها در مسائل فشارسنجی کوچک هستند و در نتیجه برای این گازها از تغییر فشار با ارتفاع چشم پوشی می‌کنیم، ولی در محاسباتی که با فاصله‌های عمومی ‌بزرگ سروکار دارند، مانند مسائل مربوط به جو سیارات ، اغلب باید تغییر فشار گاز با ارتفاع را در نظر بگیریم. با مراجعه به معادله دیفرانسیل dP/dz = -γ که فشار ، وزن مخصوص و ارتفاع را به هم ارتباط می‌دهد، اکنون فرض می‌کنیم، γ یک متغیر است و به این ترتیب تاثیرهای تراکم‌پذیری را امکان‌پذیر می‌کند. خودمان را به گاز کامل محدود می‌کنیم که این فرض برای هوا و اکثر عناصر آن در گسترده نسبتا وسیعی از فشار و دما صحت دارد. (g/V=γ)

حالت اول

اگر گاز کامل تکدما باشد، در این حالت ، معادله حالت گاز نشان می‌دهد که حاصلضرب PV ثابت است. بدین ترتیب ، در هر مکان داخل سیال با استفاده از اندیس 1 که داده‌های معلوم را نشان می‌دهد، می‌توان نوشت:

حالت دوم

اگر دما با ارتفاع بطور خطی تغییر ‌کند، تغییر دما برای این حالت به صورت زیر است:




که در آن T₁ عبارت است از دما در داده (z=0) که آن را اغلب آهنگ افت می‌نامند و ثابت است. در مسائل زمینی k منفی خواهد بود. برای اینکه بتوانیم متغییرهای معادله dP/dz=-γ را جدا کنیم، باید γ را از معادله حالت بدست آوریم و در نهایت خواهیم داشت:

مباحث مرتبط با عنوان

• آئروستاتیک
• استاتیک
• انواع سیالات
• چگالی
• دینامیک سیالات
• سیال چسبناک
• سیال غیرچسبناک
• فشار
• قانون چسبناکی نیوتن
• گاز کامل
• مکانیک سیالات
• وزن مخصوص
• هیدرولیک