المائع (Fluid) هو مادة لا تستطيع الحفاظ على شكلها عند التعرض لتأثير قوة ما كالضغط مثلًا. تشمل الموائع السوائل والغازات. من خواص الموائع الأساسية السريان، فعلى عكس المواد الصلبة التي قد تنثني تحت تأثير القوة، فإن المائع يسير بدل ذلك. ويستطيع استعادة شكله، حيث يتخذ المائع شكل الإناء الحاوي له، ويطبق على جدران الإناء ضغطًا عموديًا يعرف بالضغط السكوني أو الهيدروستاتيكي (Hydrostatic pressure).
يُدرس سلوك الموائع واستجابتها للقوى المؤثرة عليها بواسطة علم ميكانيكا الموائع (Fluid mechanics)، الذي ينقسم إلى عدة فروع من بينها ديناميكا الموائع (Fluid dynamics) الذي يدرس تدفق الموائع. يقسم سريان الموائع لنوعين سريان صفائحي (Laminar fluid) وسريان مضطرب (Turbulent fluid).
تقسم الموائع إلى ثلاثة أنواع في ميكانيكا الموائع هي:
- المائع المثالي (Ideal fluid): هو سائل ليس له وجود حقيقي، لا لزوجة له ولا يمكن ضغطه.
- المائع النيوتوني (Newtonian fluid): هو سائل يخضع لقانون نيوتن في اللزوجة، يحافظ هذا السائل على لزوجته عند معدلات القطع المختلفة ولا تتغير اللزوجة بمرور الزمن. تشمل السوائل النيوتونية الماء والزيت والوقود والكحول.
- المائع غير النيوتوني (Non-Newtonian fluid): لا يخضع هذا السائل لقانون نيوتن في اللزوجة، بحيث تتغير لزوجته عند معدلات القطع المختلفة أو بمرور الزمن. من أمثلة السوائل غير النيوتونية الطين والجيل والغرويات.
القص أو قوة القص هي القوة التي تحدث تشوهًا في المادة بجعلها تنزلق في مستوى موازي للضغط الطبق. يتضح إذًا أن الموائع النيوتونية تحافظ على كثافتها مع التعرض للقص في حين أن الموائع غير النيوتونية لا تحافظ على كثافتها عند نفس الظروف.
في السريان الصفائحي يتحرك المائع في مسار منتظم، ويسمى هذا السريان أحيانًا بالسريان الانسيابي (Streamline flow). يسمى السريان الصفائحي بهذا الاسم نظرًا لأن المائع عند سريانه فوق سطح أفقي يبدو كأنه صفائح أفقية رفيعة متوازية تنزلق فوق بعضها. وعند أي نقطة من السائل تظل خصائص التدفق كالسرعة والضغط ثابتة.
يتحقق السريان الانسيابي بعدة شروط هي أن يكون الأنبوب الذي يتحرك عبره المائع صغير نسبيًا، وأن يتحرك المائع (السائل) ببطء، وأن يكون السائل مرتفع الزوجة. من أمثلة السريان الانسيابي سريان الزيت في أنبوب أو الدم في الشعيرات الدموية.
يختبر المائع تقلبات مستمرة عند سيره في سريان مضطرب، وعند أي نقطة تحدث تغيرات مستمرة في اتجاه ومقدار السرعة، ويعد سريان الرياح وسريان الماء في الأنهار مثالين على السريان المضطرب، والحقيقة أن معظم أنواع السريان هي سريان مضطرب. وتعد الدوامة (Vortex) هي صورة من صور السريان المضطرب.
لا يوجد تعريف محدد للحركة الدوامية، لكن يمكن وصفها ببناء متماسك يدور باستمرار. هناك مفهوم مهم يخص الحركة الدوامية هو متجه الدوامة (Vortex vector). يحدد المتجه عند نقطة معينة من الدوامة، ويعبر اتجاهه عن الاتجاه المحتمل لمحور دوران الدوامة، أما قيمته فتعبر عما يعرف بالدورانية التناوبية (Rotational vorticity).
الخط الدوامي (Vortex line) هو خط المماس له يكون موازيًا لمتجه الدوران عند أية نقطة. الصورة بالأعلى تظهر الخط الدوامي والمماس له الذي يوازي متجه الدوران، ويمكن التعبير عنه بعبارة أخرى هي أن أي نقطة على الخط الدوامي تكون موازية لمتجه الدوران لنفس النقطة، فقد اتفقنا مسبقًا أن متجه الدوران يحدد عند نقطة معينة. لو أتُخذ مقطع دائري معين عبر الدوامة يتكون سطحه من خطوط دوامية متلاصقة فإن هذا المقطع يعرف بالأنبوب الدوامي (Vortex tube)، يظهر ذلك في الصورة التالية.
ما هي الدوامة (vortex):
من بين الظواهر الطبيعية التي كانت عصيةً عن الفهم لفتراتٍ ليست بقصيرة ما يسمى بالدوامة والتي يمكن أن تتشكل في الأرض والماء والهواء كما في الفضاء أيضًا. ويتمثل جوهر الدوامة في أن الأشياء تتجمع معًا باتجاه المركز حيث تميل حركة الدوامة إلى امتصاص كل شيء داخل السائل أو الهواء. إذ تأخذ كتلة الهواء أو (السائل) الملتفة شكلًا حلزونيًا أو عمودًا حلزونيًا في أغلب الأحيان.
كما عرفها البعض الآخر على أنها منطقة في السائل حيث يدور التدفق حول خط المحور ويمكن أن يأخذ شكلًا مستقيمًا أو منحنيًا كما يمكن أن تتحرك بشكلٍ معقدٍ أو قد تلتوي أو تتمدد متفاعلةً مع السائل المحيط بها. ولا يزال تعريف الدوامة محاطًا بإشارات استفهامٍ كثيرة في ديناميكا السوائل على الرغم من تواجد الدوامة في كل مكان، إذ أن أبسط مثالٍ عليها نجده في حلقات الدخان أو الدوامة التي تتشكل في الماء عندما يتم تصريفه من حوض الغسيل أو البالوعة.
للسوائل والغازات نوعان مختلفان من السريان يعرف أحدهما بالسريان الانسيابي والآخر بالسريان المضطرب، وأما الدوامة عزيزي القارئ فهي من النوع الثاني.
ما هو الخط الدوامي؟
تسمى الخطوط المرسومة والتي يكون اتجاهها بذات اتجاه محور دوران السائل خطوط دوامة، وإذا كانت هذه الخطوط قريبةً من بعضها البعض فتسمى في هذه الحالة حلقات دوامة.
قبل أن نعرف الخط الدوامي علينا معرفة متجه الدوامة (vortex vector) الذي يعبر عن الاتجاه المحتمل لمحور دوران الدوامة. أما الخط الدوامي (vortex line) فيعرف بأنه الخط الذي يكون في كل مكان مماسًا لمتجه الدوامة. نستطيع القول بعبارةٍ أخرى أن أي نقطة على الخط الدوامي تكون موازية لمتجه الدوران لنفس النقطة. وينص قانون Helmohotlz الأول على أن الدورة حول جميع الحلقات المقتطعة والمأخوذة حول الجزء الخارجي من إنبوب دوامة هي نفسها في أية لحظة من الزمن.
أنواع الدوامة:
للدوامة أنواع كثيرة نذكر منها:
الدوامة الحلزونية: وهي واحدة من أكثر أنواع الدوامات انتشارًا إذ يمكن أن تتشكل في أي مكان شرط أن تكون سرعة الرياح كبيرة. فعندما تحلق طائرة أو تهبط على سبيل المثال تتشكل دوامة حلزونية كبيرة وأحيانًا عملاقة من خلال مرور جناح الطائرة.
الزوابع: تتشكل الأعاصير عمومًا عندما تلتقي درجات حرارة مختلفة في الهواء ضمن مكانٍ واحد حيث تبدأ في الدوران بقوة مشكلةً بذلك ما يشبه القمع وتتشكل فوقه سحابة.
هنالك دوامات في الفضاء أيضًا مثل البقعة الحمراء العظيمة على كوكب المشتري والبقعة المظلمة على كوكب نيبتون كما وتعرف الثقوب السوداء بأنها أشهر وأكثر الدوامات رعبًا على الإطلاق.