لا يقتصر وجود الاضطراب على الطبيعة فحسب، مهما كانت الطريقة التي تنظر بها إليه، بل إنه ضروري أيضًا في العديد من المواقف: لتحسين خلط السوائل المختلفة (لهذا السبب نقوم بتقليب القهوة والحليب لخلطهما)، أو لخلق انتقال حراري أكبر بين السوائل (نقوم أيضًا بتقليب القهوة لتبريدها بشكل أسرع)، وما إلى ذلك. كما أنها موجودة في علم الأرصاد الجوية وتسمى دوامات فون كارمان.
في هذه المقالة، سنشرح لك كل ما تحتاج إلى معرفته عن شاحنات قلابة فون كارمان، ومميزاتها، وأهميتها.
خصائص Von Karma vortex
وللبدء، يجب علينا أن نعرف الخصائص التي تحدد السائل وديناميكياته. الكثافة، والضغط، أو درجة الحرارة هي متغيرات نعرفها جميعًا بدرجة أو بأخرى. وبناءً عليها وعلى آثارها، يمكن تفسير أي حركة أو ديناميكية للسائل، بغض النظر عن مدى تعقيدها:
عدم الثبات
لنتخيل تيارًا من الهواء يصطدم بكرة؛ إذا كانت سرعة الهواء منخفضة، فإننا نلاحظ أن الهواء يتحرك "بسلاسة" حول الكرة وخلفها؛ ويسمى هذا الجزء الخلفي أيضًا "المصب" أو "ذيل" تدفق الماء.
في هذه الحالة يسمى التدفق صفائحيًا، أي لا نرى أي دوامات أو ما يسمى عمومًا بالاضطراب، والحقيقة هي أنه بدون الاضطراب سيكون كل شيء مملًا؛ في الواقع، حتى معادلات نافييه-ستوكس يمكن أن يكون لها تطبيقات في علم النفس، أو السيطرة على الحشود، أو تصميم أنظمة إخلاء المشاة في الملاعب، وما إلى ذلك. كل شيء يكون أسهل إذا لم يكن هناك أي اضطراب.
لنفترض الآن أن كل جزيء هواء يتبع جزيء هواء آخر، وهكذا دواليك؛ فهناك عدد لا نهائي من الجزيئات على طول خط مستقيم. تخيل أنه، لأي سبب كان، ظهر فجأة جزيء لا يتبع هذا النمط الديناميكي، أي أنه ينحرف عن المسار "الطبيعي"، وإن كان ذلك نادرًا جدًا؛ ويُقال، من الناحية الفنية، إن هذا يحدث في حالة "غير مستقرة". هذا عدم الاستقرار هو بداية الاضطراب ؛ فمن تلك اللحظة فصاعدًا، تتبع التغيرات في المسارات منطقيًا، حيث يدفع جزيء آخر لتغيير اتجاهه، وهكذا دواليك. هذا هو "السبب" وراء ذلك في المقام الأول.
يمكن أن تكون المسارات الجزيئية شديدة التنوع: تغييرات دقيقة للغاية في درجة الحرارة أو الضغط أو الكثافة، حتى أكثرها شيوعًا ذات أصل غير معروف.
اعتمادًا على الشكل الهندسي أو الهيكل الذي يتشكل بعد ذلك ، يتلقى عدم الاستقرار الأسماء التالية:
- عدم استقرار كيلفن هيلمهولتز: يمكن أن يحدث في التدفق داخل سائل مستمر مثل الهواء أو الماء ، أو عند السطح البيني لسائلين أو طبقتين من نفس السائل تتحرك بسرعات مختلفة.
- عدم استقرار رايلي وتايلور: مهم في "السقوط" (الانهيار) أو نزول الهواء البارد من الغلاف الجوي العلوي. حتى في الارتفاع "الحاد" للهواء الساخن.
فيسكوسيداد
ربما تكون اللزوجة معروفة جيدًا لأن الجميع يقارن الماء بالعسل أو الحمم البركانية، على سبيل المثال، ليستنتجوا ماهية اللزوجة. دعونا نتخيلها من زاوية أخرى: لنفترض أننا عند إشارة مرور، وهناك سيارات أمامنا وخلفنا؛ عندما تتحول الإشارة إلى اللون الأخضر، نحتاج إلى وقت للتحرك ؛ إذن: اللزوجة تشبه زمن رد الفعل بين كل ناقل متبادل (مقلوب زمن رد الفعل)؛ فكلما زادت اللزوجة، قصر زمن رد الفعل؛ أي أن جميع السوائل تميل إلى التحرك في وقت واحد أو معًا.
تُعتبر اللزوجة عادةً قوة الاحتكاك بين جزيئات السائل. فكلما زاد الاحتكاك، زادت اللزوجة. ومن بين أمور أخرى، تُعد هذه القوة سببًا لوجود الطبقة الحدية: فكلما اقترب الهواء من السطح، انخفضت سرعته (في الصورة أدناه، يشير السهم القصير إلى أبطأ سرعة).
على سبيل المثال ، يعرف طيارو الطائرات الشراعية وحتى طيارو الطائرات أنه عندما تهب الرياح بقوة (بشكل خطير) ، يمكنهم النزول ، لأن "اندفاعهم" بالأشجار يقلل من قوتهم بشكل كبير.
بالعودة إلى مثال الكرة الذي ذكرناه سابقًا، إذا كان تدفق الهواء فوق الجناح انسيابيًا تمامًا، ولم تكن هناك طبقة حدية (وهو ما يعني انعدام اللزوجة)، فلن يكون هناك فرق في الضغط بين أعلى الجناح وأسفله، وبالتالي لن يكون هناك قوة رفع؛ ولن تستطيع الطائرة الطيران؛ الأمر بهذه البساطة. الطيران مستحيل تمامًا، ولكن لحسن الحظ، تبقى خاصية التماسك موجودة دائمًا. علاوة على ذلك، فبدون اللزوجة، لن يحدث اضطراب رغم عدم الاستقرار.
تجميع المادة بالضغط المنخفض
عندما يكون الجسيم (مثل جزيء الهواء) عند ضغط منخفض ، فإنه يجذبه بتسارع ناتج عن التغير في الضغط مقسومًا على الكثافة. مع ارتفاع الضغط يحدث العكس ، يتنافر أو يدفع.
في علم الأرصاد الجوية، تُسمى مناطق الضغط المرتفع بالمناطق المضادة للأعاصير، بينما تُسمى الأعاصير أو العواصف (الأعاصير خارج المدارية في حالات خاصة فقط) بمناطق الضغط المنخفض . يتحرك كل الهواء في الغلاف الجوي وكل الماء في محيطات الأرض نتيجةً لاختلافات الضغط هذه. الضغط هو الخاصية الأساسية؛ في الواقع، تؤثر العديد من المتغيرات الأخرى على تغيرات الضغط: الكثافة، ودرجة الحرارة، واللزوجة، والجاذبية، وقوى كوريوليس، وأنواع القصور الذاتي المختلفة، وما إلى ذلك. في الواقع، عندما يتحرك جزيء هواء، فإنه يفعل ذلك لأن الجزيء الذي يسبقه قد غادر منطقة ضغط منخفض، وتميل هذه المنطقة إلى الامتلاء فورًا.
لقد رأينا أسبابًا أو عدم استقرار ينشأ في وسائط مثل الغلاف الجوي أو المحيط ، ويشكل أشكالًا هندسية معينة ، أحدها - موضوع هذا العمل - هو ما يسمى بدوامات Von Karman. الآن ، بمجرد أن نفهم الأسباب والمتغيرات التي تتداخل مع كل ديناميكيات أي سائل ، فنحن على استعداد للتعرف على هذه الهندسة المحددة للغاية.
عندما يدور تدفق الهواء حول أي شكل هندسي، فإنه يتطور حوله، مما يؤدي إلى عدم استقرار ، كما رأينا سابقًا، مُشكِّلًا اضطرابًا. لهذا الاضطراب أنواع وأشكال لا حصر لها تقريبًا؛ معظمها غير دوري، أي لا يتكرر في الزمان أو المكان، لكن بعضها يتكرر. وهذا هو الحال مع دوامات فون كارمان المذكورة آنفًا.
تتشكل في ظل ظروف سرعة جوية محددة للغاية وأبعاد معينة من الكائن تعمل كعقبة.
آمل أن تتمكن من خلال هذه المعلومات من معرفة المزيد عن دوامات Von Karman وخصائصها وأهميتها في الأرصاد الجوية.