شارع كارمان الدوامي

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث
نشأة دوامات كارمان .

شارع كارمان الدوامي (بالإنجليزية: Karman Vortex street) هي ظاهرة في ميكانيكا الموائع وهي حدوث دوامات في مائع (الهواء أو سائل) جاري عند تعديته لجسم . تحدث تلك الدوامات متناوبة خلف الجسم ، وتسمى بشارع كارمان الدوامي نسبة إلى مكتشفها "ثيودور كارمان". اهتم كارمان بدراسة تلك الدوامات وابتكر طرق لحسابها في عام 1911 .


نشأة الدوامات[عدل]

يتحكم في نشأة الدوامات عدد رينولدز ويرمز له بالرمز Re . وهذا العدد يعطي النسبة بين قوى القصور الذاتي و قوى اللزوجة ، ويمكن حساب عدد رينولدز عن طريق سرعة جريان الهواء أو السائل ، و لزوجته ، وقطر الجسم الواقف كمانع في جريان المائع . وفي الحالة البسيطة حيث يفترض أن الجسم في شكل أسطوانة ، ويمر عليه المائع بسرعة معينة ، فيمكن باستخدام عدد رينولدز استنتاج أشكال مختلفة للدوامات الناشئة خلف الأسطوانة .

عندما تكون سرعة المائع صغيرة أو عندما تكون لزوجة المائع عالية (مثلما لعسل النحل: Re < 4-5 ), فلا تحدث دوامات . وبزيادة السرعة تنشأ على ناحيتي الأسطوانة دوامتان متضادتا اتجاه الدوران ، وتصبحان غير مستقرتان عندما يصل عدد رينولدز بين Re = 30-48 ، وتظهر حركتهما الاهتزازية الدورية . وتنفصل الدوامتين عند تردد معين يحدده عدد آخر يسمى عدد ستروهال . وبتزايد عدد رينولدز حتي يصل إلى Re = 180-200 يكون سريان المائع لا يزال جريان صفائحي.

وعندما يزيد عدد رينولدز عن ذلك ينتقل الجريان من "جريان صفائحي" إلى جريان دوامي . وعند وصول عدد رينولدز الحرج Rekrit ≈ 10.000 تكون مقاومة الجسم (المانع) أقل ما يمكن . وحتى لو وصل عدد رينولدز إلى (Re > 5 Mio), كما يحدث أحيانا عند جريان الريح على جزر عالية في البحر فيمكن مشاهدة شارع كرمان الدوامي . ويمكن مشاهدة تلك الظاهرة خلف أبراج الاتصالات إذا كان الجو محملا بالسحب أو الغبار.

أمثلة[عدل]

صورة من القمر الصناعي لجزر جوان-فرنانديس
دوامات مائية ( معلمة بأقواس)

ظاهرة الدوامات وشوارع الدوامات هي ظاهرة تحدث كثيرا ، ولكن تصعب مشاهدتها أحيانا. هذا لأن رؤية الرياح وجريان الهواء ليس من السهل . كذلك بالنسبة إلى دوامات الماء يصعب رؤياها بسبب شفافية الماء . ومع ذلك فيمكن بالتمعن رؤي دوامات في حوض مثلا عندما يكون الماء ساكنا ونقطعه بأحد أصابعنا . عندئذ يمكننا مشاهدة "شارع دوامات ".

وإذا استبدلنا الماء بسائل ذو لزوجة عالية مثل مخلوط ماء وجلسرين ، مع إضافة لون من ألوان الأطعمة ، مثل شراب الكريز أو الفرولة ، عندئذ نستطيع رؤية أوتار وخيوط ملونة اللون تدور في اتجاه دوران الدوامات .


يبين الفيديو أسفله صورة متحركة مبينا نشأة دوامات في الماء عند عبورها لعائق ، ونرى الدوامات تتحرك مع تيار الماء ، كما نرى أن اتجاه دوران الدوامة يكون في أتجاه العائق .

Videosequenz

يمكن حدوث شوراع كارمان الدوامية مثلا خلف جزيرة عالية أو عدة دزر عالية في البحر ، ونجدها تعلو عن سطح الماء . وتظهر تلك الدوامات أثناء التصوير من الجو أو من قمر صناعي في هيئة تشكيلات صخمة من السحب . وهذا ما نراه في صورة القمر الصناعي المعروضة أعلاه إلى اليسار .

تردد الانفصال[عدل]

يمكن الحصول على "تردد انفصال" f دوامة (انفصال عن العائق) باستخدام عدد ستروهال S_\mathrm{r} . تنطبق المعادلة :


f \;=\; S_{\mathrm{r}} \cdot \frac{v}{d}
,

حيث:

v سرعة جريان الوسط ، وليكن الماء مثلا ،
و d مقاييس الجسم العائق .

يعتمد عدد ستروهال على شكل العائق وعلى عدد رينولد، وهو عدد خاص بالموائع . وبافتراض أن العائق شكله اسطواني فإن عدد رينولد الخاص به بين 0,18-0,22. وسنختار في مثالنا هنا S_{\mathrm{r}}=0,2 . والبعد الهام بالنسبة لتكون الدوامات هو قطر الأسطوانة حيث تكون الأسطوانة قائمة عموديا في الماء . وبناء على ذلك ينتج هوائي سيارة ذو قطر يبلغ 4 مليمتر ويكون منصوبا على سقف سيارة تسير بسرعة 25 متر في الثانية (90 كيلومتر في الساعة) ، تنتج صوتا (موسيقى) عاليا واضحا بالتردد :


f \;=\; 0{,}2 \cdot \frac{25}{0{,}004}\ \mathrm{Hz} \; \approx \; 1300\ \mathrm{Hz}
.

ومثال آخر :

وهو تصفير خطوط الضغط العالي عند مرور الريح عليها .

ونطرا لكون العلاقة بين "تردد الانفصال " وسرعة جريان المائع هي علاقة خطية (أي تتناسب طرديا مع سرعة جريان المائع ) ، فيستخدم " مقياس جريان المائع" لتعيين لزوجة المواد ذات لزوجة منخفضة .

المراجع[عدل]

وصلات خارجية[عدل]

اقرأ أيضاً[عدل]