علوم وفضاء

سطح سائل في خزان متسارع: متى يجف جزء من القاع؟

مقطعان عند تسارعين
مقياس الأطوال موحد؛ حالتان بديلتان للمثال. المتقطع يحدد المنسوب الأول.

سطح سائل في خزان متسارع يميل؛ شرط بقاء القاع مبللًا يحدد الصيغة المناسبة. [2]

الخلاصة السريعة

يبدأ جزء من القاع بالجفاف عندما يتجاوز التسارع الأفقي 2gh/L، في النموذج المستطيل دون انسكاب. [2]

  • خزان مستطيل مفتوح، طوله L>0 وعرضه ثابت؛ سائل كثافته ρ ثابتة وعمقه الأول h>0. تسارع a>0 أفقي يمينًا، وجاذبية g>0 إلى أسفل. نفترض سكون السائل بالنسبة للخزان، دون انسكاب أو شد سطحي؛ الحجم محفوظ والجدران عالية كفاية. [1]
  • نقيس x يمينًا من الجدار الأيسر، وz إلى أعلى من القاع. تدرج الضغط ∂p/∂x=−ρa و∂p/∂z=−ρg. p ضغط بالباسكال Pa، وρ بوحدة kg/m³؛ الأطوال بالمتر m، والتسارع بوحدة m/s². [1]
  • ضغط السطح ثابت؛ ارتفاعه على الجزء المبلل zs=c−ax/g، حيث c ارتفاعه يسارًا. السائل أعلى خلف اتجاه التسارع. مقدار ميله tanθ=a/g، وθ الزاوية مع الأفقي؛ نحدد c من الحجم، لا الميل وحده. [1]
  • إذا a≤2gh/L، يبقى القاع مبللًا، عدا نقطة النهاية عند المساواة. حفظ مساحة المقطع يعطي c=h+aL/(2g)، وارتفاع السطح يمينًا h−aL/(2g). لا نمد هذه الصيغة إلى ارتفاع سالب. [1]
  • إذا a>2gh/L، يكون المقطع السائل مثلثًا: طول القاع المبلل ℓ=√(2gLh/a)، وc=aℓ/g. مساحة المثلث cℓ/2=Lh تحفظ الحجم؛ الجزء الجاف L−ℓ. الشكل نتيجة حسابية من الميل والحجم. [2] للقراءة في الرسم: u=a/(2gh/L)، وv=ℓ/L. قبل الحد v=1، وبعده v=1/√u. [2]
  • مثال افتراضي L=2m وh=0.5m وg=10m/s²: عند a=4m/s²، العمقان 0.9m يسارًا و0.1m يمينًا. عند a=10m/s²، يصبح ℓ=c≈1.414m، والجاف نحو 0.586m. لا نصف التموج أثناء بدء الحركة. [2]

حدد حالة السكون النسبي

خزان مستطيل مفتوح، طوله L>0 وعرضه ثابت؛ سائل كثافته ρ ثابتة وعمقه الأول h>0. تسارع a>0 أفقي يمينًا، وجاذبية g>0 إلى أسفل. نفترض سكون السائل بالنسبة للخزان، دون انسكاب أو شد سطحي؛ الحجم محفوظ والجدران عالية كفاية. [1]

وازن الضغط والتسارع

نقيس x يمينًا من الجدار الأيسر، وz إلى أعلى من القاع. تدرج الضغط ∂p/∂x=−ρa و∂p/∂z=−ρg. p ضغط بالباسكال Pa، وρ بوحدة kg/m³؛ الأطوال بالمتر m، والتسارع بوحدة m/s². [1]

استخرج اتجاه الميل

ضغط السطح ثابت؛ ارتفاعه على الجزء المبلل zs=c−ax/g، حيث c ارتفاعه يسارًا. السائل أعلى خلف اتجاه التسارع. مقدار ميله tanθ=a/g، وθ الزاوية مع الأفقي؛ نحدد c من الحجم، لا الميل وحده. [1]

افحص الطرف المنخفض

إذا a≤2gh/L، يبقى القاع مبللًا، عدا نقطة النهاية عند المساواة. حفظ مساحة المقطع يعطي c=h+aL/(2g)، وارتفاع السطح يمينًا h−aL/(2g). لا نمد هذه الصيغة إلى ارتفاع سالب. [1]

احفظ الحجم بعد الجفاف

إذا a>2gh/L، يكون المقطع السائل مثلثًا: طول القاع المبلل ℓ=√(2gLh/a)، وc=aℓ/g. مساحة المثلث cℓ/2=Lh تحفظ الحجم؛ الجزء الجاف L−ℓ. الشكل نتيجة حسابية من الميل والحجم. [2] للقراءة في الرسم: u=a/(2gh/L)، وv=ℓ/L. قبل الحد v=1، وبعده v=1/√u. [2]

طول القاع المبلل
منحنى محسوب؛ محور التسارع نسبي.

قارن مثالين

مثال افتراضي L=2m وh=0.5m وg=10m/s²: عند a=4m/s²، العمقان 0.9m يسارًا و0.1m يمينًا. عند a=10m/s²، يصبح ℓ=c≈1.414m، والجاف نحو 0.586m. لا نصف التموج أثناء بدء الحركة. [2]

المراجع

  1. الحركة والتدرج
  2. ميل السطح

ضغط السائل الساكن

أُعدّ هذا المقال بمساعدة الذكاء الاصطناعي، وخضع لمراجعة ذاتية بالأداة نفسها. لا يُنسب إلى مراجع بشري أو خبير مستقل. منهجية المحتوى.