علوم وفضاء

قانون ستوكس وسرعة الهبوط: هل تتضاعف بمضاعفة نصف القطر؟

نصف القطر والسرعة الحدية
مقارنة محسوبة؛ خواص السائل ثابتة.

قانون ستوكس وسرعة الهبوط: قارن الوزن والطفو بالمقاومة. [1]

الخلاصة السريعة

مضاعفة نصف القطر تجعل سرعة الهبوط الحدية أربعة أمثالها، إذا بقي النموذج صالحًا. [2]

  • كرة صلبة ملساء منفردة، أكثف من سائل نيوتوني ساكن؛ غمر كامل وبعيد عن الجدران والسطح. خواص ثابتة ولا انزلاق على الكرة؛ جريان بطيء Re≪1. [2]
  • r نصف القطر بالمتر، η اللزوجة الديناميكية بوحدة Pa·s. المقاومة D=6πηrv للأعلى عند هبوط بسرعة v؛ الوزن W=ρsVg، والطفو B=ρfVg؛ V=4πr³/3 حجم الكرة بالمتر المكعب. القوى بالنيوتن. [1][3]
  • ρs وρf كثافتا الكرة والسائل بالكغ/م³، وg تسارع الجاذبية بالمتر/ث². عند السرعة الحدية vt: W=B+D؛ نستنتج vt=2(ρs−ρf)gr²/(9η) بالمتر/ث. لا تهمل الطفو. [1][2][3]
  • مثال مفترض: ρs=2000 وρf=1000، η=1Pa·s، g=10m/s². عند r=0.30mm: vt=0.20mm/s؛ وعند r=0.60mm: vt=0.80mm/s. mm مليمتر؛ القيم حسابية وليست قياسات. [1]
  • الكثافتان واللزوجة والجاذبية ثابتة في المقارنة: r يتضاعف، W وB يصيران ثمانية أمثالهما؛ D عند السرعة الحدية كذلك. لذلك vt أربعة أمثالها، لا مثليها. [2]
  • عدد رينولدز Re=2ρf r vt/η بلا وحدة، ويصبح ثمانية أمثاله: 0.00012 ثم 0.00096 في المثال. كلاهما أصغر بكثير من واحد؛ أعد فحص الصلاحية عند تغيير الحجم. [2]

شروط النموذج

كرة صلبة ملساء منفردة، أكثف من سائل نيوتوني ساكن؛ غمر كامل وبعيد عن الجدران والسطح. خواص ثابتة ولا انزلاق على الكرة؛ جريان بطيء Re≪1. [2]

القوى الثلاث

r نصف القطر بالمتر، η اللزوجة الديناميكية بوحدة Pa·s. المقاومة D=6πηrv للأعلى عند هبوط بسرعة v؛ الوزن W=ρsVg، والطفو B=ρfVg؛ V=4πr³/3 حجم الكرة بالمتر المكعب. القوى بالنيوتن. [1][3]

استخرج السرعة الحدية

ρs وρf كثافتا الكرة والسائل بالكغ/م³، وg تسارع الجاذبية بالمتر/ث². عند السرعة الحدية vt: W=B+D؛ نستنتج vt=2(ρs−ρf)gr²/(9η) بالمتر/ث. لا تهمل الطفو. [1][2][3]

قسمة (ρs−ρf)(4πr³/3)g=6πηrvt على 6πηr تلغي π وتترك r². [2]

مثال على نصفَي قطر

مثال مفترض: ρs=2000 وρf=1000، η=1Pa·s، g=10m/s². عند r=0.30mm: vt=0.20mm/s؛ وعند r=0.60mm: vt=0.80mm/s. mm مليمتر؛ القيم حسابية وليست قياسات. [1]

لماذا العامل أربعة؟

الكثافتان واللزوجة والجاذبية ثابتة في المقارنة: r يتضاعف، W وB يصيران ثمانية أمثالهما؛ D عند السرعة الحدية كذلك. لذلك vt أربعة أمثالها، لا مثليها. [2]

في المقارنة D يتناسب مع rvt؛ تعويض 2r و4vt يعطي العامل 8. [2]

اتزان الوزن والطفو والمقاومة
سهمان للأعلى؛ مجموعهما يوازن الوزن.

افحص عدد رينولدز

عدد رينولدز Re=2ρf r vt/η بلا وحدة، ويصبح ثمانية أمثاله: 0.00012 ثم 0.00096 في المثال. كلاهما أصغر بكثير من واحد؛ أعد فحص الصلاحية عند تغيير الحجم. [2]

المراجع

  1. مقاومة المائع
  2. جريان حول كرة
  3. قوة الطفو

اللزوجة وقوة القص

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