نیروی شناوری
آزمایش شماره 1 - شناوری
عنوان آزمایش: نیروهای وارد بر یك جسم غوطه‌ور در مایع ساكن
هدف آزمایش: بررسی فرمولهای مربوط به نیروی وارد بر یك سطح مغروِق و تعیین مركز فشار.
مقدمه آزمایش: در حالتی كه قسمتی از جسم داخل مایع و قسمتی دیگر خارج از مایع باشد جسم را غوطه‌ور گویند و نیروی برآیند وارده از طرف یك سیال ساكن بر جسمی كه داخل آن فرو رفته و
شناور است را نیروی شناوری گویند نیروی شناوری داخل مولفه افقی نیست چون تصویر جسمی كه غوطه‌ور باشد بروی سطح قائم همیشه صفر است. اگر سطح آزاد سیال را كه با هوا تماس دارد را در
المان حجمی استوانه‌ایی غوطه‌ور است را در نظر بگیریم سطح بالایی 0 h عمق كمتری نسبت به 2 h دارد در این صورت داریم:
تئوری آزمایش:
نیروی برآیندی را كه یك سیال ساكن بر جسم شناور یا غوطه‌ور در خودش وارد می‌كند نیروی شناوری می‌گویند. نیروی شناوری همواره قائم و به طرف بالاتر اثر می‌كند. نیروی شناوری
موله افقی ندارد زیرا تصویر جسم غوطه‌ور یا بخش غوطه‌ور از جسم در روی صفحه قائم همواره صفر است.
برای درك بهتر نیروی شناوری شكل زیر را در نظر بگیرید. نیروی شناوری وارد بر جسم شناور برابر است با مولفه قائم نیروی فشاری وارد بر سطح فوقانی آن (ADC) منهای مولفه قائم
نیروی فشار وارد بر سطح تحتانی آن (ABC) .
در شكل زیر نیروی رو به بالای وارد بر سطح تحتانی برابر با وزن مایع خیالی یا واقعی موجود در بالای سطح (ABC) می‌باشد. حجم این مایع در شكل با ABC EFA نشان داده شده
است. نیروی رو به پائین وارد بر سطح بالایی (ADC) برابر با وزن مایع محصور ADC EFA است. تفاضل این دو نیرو، نیروی رو به بالایی است از وزن مایع جابجا شده كه توسط حجم شناور
ناشی می‌شود مایع جابجا شده توسط جسم را در شكل با ABCD نشان داده‌ایم. بناباین خواهیم داشت:
در رابطه بالا F(B) نیروی شناوری، V حجم مایع جابجا شده و وزن ویژه سیال است.
همین فرمول در مورد اجسام شناور نیز صادِق است به شرطی كه V را به عنوان حجم مایع جابجا شده در نظر بگیریم. این موضوع با بررسی جسم شناور در شكل زیر آشكار می‌شود.
در شكل زیر نیروی قائم وارد بر یك عنصر كوچك از جسم شناور نشان داده شده است. این عنصر به شكل منشور بوده و مساحت مقطع آن می‌باشد. بنابراین می‌توانیم بنویسیم:
این رابطه حجم عنصر منشوری است با انتگرال‌گیری در محدوده كل جسم، می‌توانیم بنویسیم:
در رابطه بالا g در سراسر جسم ثابت فرض شده است:
همچنین به بیان دیگر:
در یك سیال ساكن نیروی وارد بر هر المان سطح dA یعنی dF عمود بر آن سطح است اگر چنین نیرویی بر یك سطح صاف وارد شود كلیه نیروهای وارد بر سطح با هم موازیند و
همچنین مقدار آنها را می‌توان تنها با یك نیرو به نام نیروی برآیند كه در نقطه‌ایی به نام مركز فشار اثر می‌كند نشان داد. در حالتی كه سطح بصورت خمیده باشد وضع تفاوت می‌كند بسته
به طرِ مختلف قرارگیری یك سطح دلخواه در یك سیال، سه حالت زیر را در نظر می‌گیریم.
1 - سطح صاف تحت فشار یكنواخت باشد:
نمونه‌ایی از این مدل سطح صافی است كه بطور افقی در زیر سطح مایعی قرار دارد در این صورت نیروی وارد بر سطح برابر می‌باشد كه A مساحت صفحه و h فاصله
عمودی صفحه از سطح مایع است و محل اثر آن در مركز سطح صفحه می‌باشد.
2 - سطح صاف تحت فشار غیریكنواخت باشد:
نمونه‌ایی از این مدل صفحه صافی است كه تحت زاویه دلخواهی در زیر سطح قرار گرفته است (همانند شكل پائین). دراین سطح مقدار نیروی عمود بر سطح برابر است با
: كه در آن A سطح جسم و h فاصله قائم سطح آزاد تا مركز سطح جسم است. محل اعمال این نیرو عبارت است از:
اگر سطح نسبت به محور y ها تقارن داشته باشد I(x,y) صفر و در نتیجه است.
باتوجه به اینكه در مقدار مثبت است، همیشه بزرگتر از y است یعنی مركز فشار همیشه پائین‌تر از مركز سطح قرار دارد از آنجا كه جسم مورد بررسی دارای تقارن نسبت به محور y
هاست پس I(x,y) در فرمول X(Cp)صفر است و امتداد مركز فشار در راستای قائم منطبق برراستای قائم مركز سطح است برای حالت غوطه‌وری جزئی مقداربرابر است با Y-d/2 با
گشتاورگیری حول نقطه تعادل خواهیم داشت:
در حالت غوطه‌وری كامل مقدار برابر است با 2/ y - d و با گشتاورگیری حول نقطه تعادل خواهیم داشت:
شرح دستگاه:
دستگاه مورد آزمایش از یك تانك معكب مستطیل شكل با سطوح جانبی شفاف در یك جسم معلق به شكل ربع حلقه تشكیل شده است با اهرم‌بندی انجام شده می‌توان مقدار نیروها
را حساب كرد. در گشتاورگیری نیروها حول لولا (نقطه تعادل) تنها، نیروی وارد بر سطح مستطیل شكل به حساب می‌آید مقدار این نیرو برابر است با:
كه h فاصله از سطح آزاد تا مركز سطح است. بنابراین دو حالت كلی پیش می‌آید:
الف - غوطه‌وری جزئی ب - غوطه‌وری كلی
روش انجام آزمایش:
ابتدا با تغییر موقعیت وزنه تعادل، شاخص را در موقعیت افقی، قرار می‌دهیم سپس وزنه 450 گرمی را روی كفه بالانس قرار می‌دهی. و آنقدر آب داخل ظرف می‌ریزم تا شاخص دوباره به
حالتافقی بر گردد. سپس مقدار جرم وزنه‌ها و ارتفاع آب را مشخص می‌كنیم. سپس مقدار جرم را با توجه به جدول، كاهش داده و با كاهش دادن آب از طریق شیر تخلیه دوباره شاخص را
در موقعیت افقی قرار داده و مجدداً جرم و ارتفاع آب را یادداشت می‌كنیم.
افت فشار
هدف آزمایش:
هدف آزمایش تعیین افت انرژی نناشی از اجزای یك سیستم لوله‌كشی مانند زانویی، شیر و... و رابطه‌ای بین افت انرژی و سرعت می‌باشد. بررسی تغییرات ضریب اصطكاك با رینولدز
ضریب افت با انرژی جنبشی و تاثیر نسبت شعاع انحناء و قطر یك خم در مقدار افت انرژی آن از مواردی می‌باشد كه در این آزمایش مدنظر می‌باشد.
مقدمه آزمایش:
افت فشار: بعلت اصطكاك ذرات سیال بر روی یكدیگر و همچنین جداره لوله و همچنین كاهش انرژی تبدیل به كار بوجود می‌آید. ما در جریان حقیقی جهت جریان كاهشی در فشار
استاتیك كاهش فشار بوجود می‌آید كه با فشارسنج اندازه‌گیری می‌شود.
افت فشار در سیستم لوله‌كشی به دو صورت است:
1 - افت فشار در لوله‌های مستقیم كه با افت فشار خطی مرسومند.
2 - افت فشار در شیرها و زانویی‌ها و دیگر اتصالات كه به افت فشار موضعی مرسوم هستند.
نكته:
هرگاه قطرلوله و دبی سیال در یك لوله مستقیم ثابت بماند در آن لوله افت فشار بطور خطی همراه با ازدیاد طول افزایش می‌یابد. افت فشار در شیرها و زانوها و اتصالات بر اثر اصطكاك
سیال در سطوح داخلی اتصالات بوجود می‌آید. در مواقعی كه اتصال سبب تغییر جهت جریان شود حركت سیال آشفته شده و افت فشار تولید می‌شود و افت فشار در اتصالات بر اثر وجود
اتصالیا تغییر در سطوح مقطع در مسیر لوله حركت سیال در قبل و بعد از آن آشفته شده و افت فشار بیشتری در این دو قسمت لوله ایجاد می‌شود.
| قيمت فايل: | 14500 تومان |
|---|---|
| تعداد اسلايدها: | 114 |
| خريد فايل از سايت مرجع |