فيديو السؤال: التعرف بيانيًّا على السريان المستقر والمضطرب حول جناح حامل الفيزياء

نسخة الفيديو النصية

يوضح الشكل سريان مائع يتخطى جناحًا حاملًا. تمثل الخطوط الرمادية اتجاه سريان المائع. تمثل المناطق السوداء عائقًا صلبًا أمام السريان. في أي منطقة من المناطق الثلاث المحددة بالخطوط المتقطعة يكون سريان المائع أكثر اضطرابًا؟

في الشكل، نرى مائعًا يسري بشكل عام من اليسار إلى اليمين. تذكر أن هذه الخطوط الرمادية توضح حركة طبقات مختلفة من المائع. في هذا السؤال، علينا التوصل إلى بعض الاستنتاجات حول حركة المائع دون استخدام أي أرقام أو حسابات رياضية. لكن لا بأس. من المعروف أن خواصًّا معينة لحركة الموائع -مثل الاضطراب- يصعب تمثيلها كميًّا. ومع ذلك يمكننا وصفها بتطبيق بعض المعرفة عن السريان المستقر والمضطرب.

يمكننا البدء بتذكر أن السريان المضطرب يتميز بتغير ذي وتيرة عالية في سرعة المائع واتجاهه. المصطلح «مستقر» يعني العكس تمامًا؛ حيث يتحرك المائع ببساطة في اتجاه السريان. تشير خطوط المائع التي تكون متباعدة بانتظام ومتوازية أحدها مع الآخر إلى مناطق سريان مستقر للمائع، بينما توضح الخطوط المنحنية والمتزاحمة معًا فوضى الاضطراب. من بين المناطق المحددة المنطقة الأولى والثانية والثالثة، علينا تحديد المنطقة التي تتميز بالسريان الأكثر اضطرابًا للمائع. سنفعل ذلك من خلال مقارنة أشكال خطوط السريان داخل تلك المناطق.

عند مواجهة المائع لهذا الجناح الحامل فإننا نلاحظ أن المائع يعيد توجيه نفسه حوله. لكن لاحظ أن هناك آثارًا مختلفة لحركة المائع بناء على إذا ما كان يتحرك أعلى الجناح الحامل أو أسفله. توضح المنطقة الثانية المائع الذي يتحرك أسفل الجناح الحامل. خطوط السريان هنا لها بعض الانحناء البسيط. لكنها إجمالًا مستقيمة ومتوازية نسبيًّا. إذن يمكننا القول: إن المائع في المنطقة الثانية سريانه مستقر إلى حد ما. لكن ماذا عن المائع الذي يتحرك أعلى الجناح الحامل؟

خطوط السريان لها بعض الانحناء الأوضح على الجانب الأيسر للمنطقة الأولى؛ حيث يدفع المائع في البداية عند مواجهته قمة العائق. بعد ذلك تبدأ خطوط السريان في الانسياب. لكن لاحظ بعد ذلك أن الأمور تصبح أكثر فوضوية باتجاه الطرف الخلفي للجناح الحامل. حيث تغير خطوط السريان اتجاهها مرة أخرى، وهو يؤدي إلى اختلاط المائع. وهذا يعني وجود اضطراب. وهنا يكون الاضطراب كبيرًا للغاية لدرجة أن خط السريان في الشكل يكون حلقة مغلقة. وهذا يعني أن المائع هنا يجب أن يشير في كل اتجاه أثناء دورانه. فهو لا يغير اتجاهه باستمرار فحسب، بل يسحب معه أيضًا طبقات المائع المحيطة به. فهو يتباطأ ويلتوي وينعطف في مساحة صغيرة جدًّا. لكن ذلك يحدث حسب التصميم؛ لأن الجناح الحامل يحتاج إلى حركة مختلفة للمائع أعلاه وأسفله؛ لتوفير قوة رفع لشيء مثل الطائرة.

في النهاية يمر المائع فوق العائق. يمكننا أن نرى كيف ينساب المائع بعد ذلك، حيث ينتج عنه سريان مستقر نسبيًّا هنا في المنطقة الثالثة. يقع الجزء الأكبر من الاضطراب الذي يسببه الجناح الحامل داخل المنطقة الأولى. وبما أنها المنطقة الوحيدة من الثلاث مناطق التي تحتوي على حلقة مغلقة، فإننا نعلم أن سريان المائع يكون أكثر اضطرابًا في المنطقة الأولى.