ฟิสิกส์สำหรับโครงการเรียนล่วงหน้า

หัวข้อที่จะได้ศึกษา

Steady or unsteady flow

ใน steady flow ความเร็วของอนุภาคของของไหล (fluid particle) ณ จุดใด ๆ จะคงที่เทียบกับเวลา ตัวอย่างเช่นดังแสดงในรูปที่ 8-1 อนุภาคของของไหลอนุภาคหนึ่งวิ่งผ่านจุดที่ 1 ด้วยความเร็ว v₁ = +2.0 m/s ใน steady flow ทุก ๆ อนุภาคที่วิ่งผ่านจุดที่ 1 จะมีความเร็วเท่ากัน ที่ตำแหน่งหรือจุดอื่น ๆ ความเร็วอาจเปลี่ยนไป เช่นในแม่น้ำ ที่บริเวณตรงกลางของแม่น้ำน้ำจะไหลเร็วกว่าที่บริเวณใกล้ฝั่ง ดังนั้นที่จุดที่ 2 ความเร็วของของไหลอาจเป็น v₂ = +0.5 m/s และถ้าเป็น steady flow ทุก ๆ อนุภาคที่ผ่านจุดที่ 2 จะมีความเร็วเป็น +0.5 m/s ด้วย

รูปที่ 8-1 การไหลแบบ steady flow

สำหรับการไหลแบบ unsteady flow ความเร็วของอนุภาค ณ จุดจุดหนึ่งในของไหลจะเปลี่ยนแปลงตามเวลา การไหลที่เป็นแบบ Turbulent เป็น unsteady flow ที่เห็นได้ชัดและมักจะเกิดที่การไหลด้วยอัตราเร็วสูงหรือเมื่อมีการไหลผ่านสิ่งกีดขวาง หรือทางเดินของของไหลโค้งหรือคดเคี้ยว ใน turbulent flow ความเร็วของของไหล ณ ตำแหน่งใด ๆ เปลี่ยนแปลงได้อย่างรวดเร็วทั้งขนาดและทิศทาง

Compressibility or incompressibility flow

ของเหลวส่วนใหญ่จะถูกบีบอัดไม่ได้ (incompressible) นั่นคือความหนาแน่นของของเหลวมีค่าคงที่ ไม่เปลี่ยนแปลงตามความดัน ดังนั้น โดยประมาณ ของเหลวก็จะไหลในทำนองที่มันถูกบีบอัดไม่ได้เช่นกัน หรือที่เรียกว่า incompressible flow ในทางตรงกันข้าม แก๊สจะถูกบีบอัดได้ (compressible) ง่ายกว่า อย่างไรก็ตามก็มีกรณีแก๊สไหลโดยที่ความหนาแน่นของมันไม่เปลี่ยน ก็จะถือว่ามันไหลแบบ incompressible flow ได้เช่นกัน

Viscous or nonviscous flow

ของไหลที่หนืด (viscous fluid) เช่นน้ำผึ้ง จะไหลได้ยาก เราเรียกของไหลนี้ว่ามันมีความหนืด (viscosity) มาก ในทางตรงกันข้ามน้ำมีความหนืดน้อยกว่า น้ำจึงไหลได้ง่ายกว่า ความหนืดทำให้ชั้นของของไหล (fluid layers) ที่อยู่ติดกันเคลื่อนผ่านกันได้ยาก ของไหลที่มีความหนืดเป็นศูนย์จะไหลได้โดยสะดวก เราเรียกของไหลที่มีความหนืดเป็นศูนย์ หรือไม่มีความหนืดเลย (nonviscous fluid) ว่า ของไหลอุดมคติ (ideal fluid) ถึงแม้ในความเป็นจริงไม่มีของไหลใดเลยที่ไม่มีความหนืด แต่ของไหลหลายชนิดก็มีความหนืดน้อยมาก ๆ ที่สามารถถือว่ามันไม่มีความหนืดก็ได้

Rotational or irrotational flow

การไหลของของไหลจะเป็นแบบหมุน (rotational flow) ถ้าบางส่วนของของไหลมีทั้งการหมุนพร้อมทั้งการเลื่อนที่ (translation) เพื่อให้เห็นว่า การไหลของของไหลมีการหมุนหรือไม่ เราอาจนำกงล้อไปวางไว้ในทางไหลของของไหล ถ้ากงล้อหมุนก็แสดงว่าการไหลเป็นแบบ rotational flow ดังรูปที่ 8-2 ถ้ากงล้อไม่หมุนการไหลก็จะเป็นแบบ Irrotational flow ดังรูปที่ 8-3 และการไหลจะมีเฉพาะการเลื่อนที่เท่านั้น

สังเกตว่า สำหรับ rotational flow ความเร็วของอนุภาคต่าง ๆ ของของไหลจะไม่เท่ากันที่ตำแหน่งต่าง ๆ ในแนวดิ่ง

รูปที่ 8-4 แสดง flow lines และ flow tube

เส้นทางการเดินของแต่ละอนุภาคของของไหลที่กำลังเคลื่อนที่เรียกว่า flow line สมมติมี flow lines จำนวนหนึ่งลากผ่านบริเวณหนึ่งในของไหล บริเวณที่ถูกล้อมรอบโดย flow lines เหล่านี้เรียกว่า flow tube ดังเช่นที่แสดงในรูปที่ 8-4 จากนิยามของ flow line ถ้าการไหลเป็นแบบ steady flow จะไม่มีอนุภาคของไหลใดสามารถวิ่งผ่านผนังของ flow tube ได้ และของไหลที่อยู่ใน flow tube คนละอันจะไม่สามารถรวมกันได้

รูปที่ 8-5 แสดง streamline

ถ้าเราลากเส้นผ่านไปในของไหลที่กำลังไหล โดยที่เส้นนั้นขนานกับเวกเตอร์ความเร็วของอนุภาคของไหล ณ จุดที่เส้นลากผ่านไป เราเรียกเส้นนี้ว่า streamline รูปที่ 8-5 แสดงให้เห็นถึงเวกเตอร์ของความเร็วของอนุภาคของไหลที่จุดต่างๆ 3 จุด เส้นที่ลากผ่านจุดเหล่านี้คือ streamline ความเร็วของอนุภาคของของไหลสามารถเปลี่ยนได้จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งบน streamline แต่ที่แต่ละจุดบน streamline ความเร็ว ณ จุดนั้นจะไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลา ซึ่งเป็นเงื่อนไขของ steady flow ดังนั้นบางครั้งเราอาจเรียก steady flow ว่า streamline flow