هيدروليک
1401/09/20 12:37فصل قبل
سرفصل درس:
شناخت انواع جريان‌ها، معرفي اعداد رينولدز و فرود، حالات جريان و رژيم‌هاي جريان
يادآوري مفاهيم پايه در هيدروليک از قبيل معادله پيوستگي، معادله انرژي، معادله مقدار حرکت، ضريب توزيع سرعت، توزيع فشار در مقطع کانال
اصل انرژي و کاربرد آن در کانال‌ها، انرژي مخصوص، جريان بحراني و ويژگي‌هاي آن
کاربرد انرژي مخصوص در تحليل جريان در کانال‌ها براي جريان‌هاي هم‌گرا، واگرا و در شرايط بالا و پايين افتادن کف کانال
اصل مقدار حرکت و کاربرد آن در کانال، نيروي مخصوص
کاربرد اصل نيروي مخصوص در تحليل جريان‌ها، در محل تغيير مقطع کانال‌ها، پرش هيدروليکي
خواص جريان يکنواخت، معادله شزي، معادله منينگ، تحليل و محاسبه جريان يکنواخت، طراحي کانال براي جريان يکنواخت، تعيين عمق نرمال، محاسبه شيب نرمال و شيب بحراني، بهترين مقطع هيدروليکي
بررسي جريان‌هاي متغير تدريجي و معادله ديناميکي جريان‌هاي متغير تدريجي، پروفيل‌هاي سطح آب در جريان‌هاي متغير تدريجي و تحليل پروفيل جريان
ارائه روش‌هاي محاسبه پروفيل سطح آب در جريان‌هاي متغير تدريجي، روش انتگرال – ترسيمي، گام‌به‌گام، گام‌به‌گام استاندارد
سرفصل: جريان‌هاي متغير تدريجي و ويژگي‌هاي آن‌ها
نمونه 31- مطلب درسي: تعريف جريان يکنواخت و نحوه شکل‌گيري آن
در جريان يکنواخت، تغييرات عمق و ويژگي‌هاي جريان در طول کانال صفر است. نحوه ايجاد جريان يکنواخت را مي‌توان چنين توصيف نمود که اگر شيب و ساير شرايط کانال ثابت بماند، جريان با هر شرايطي (عمق زياد و سرعت کم يا عمق کم و سرعت زياد) وارد کانال شود، با توجه به طول زياد کانال، نيروهاي محرک و مقاوم به حالت تعادل رسيده و در اين حالت وضعيت جريان ثابت مي‌ماند که به عمق ايجاد شده در اين حالت عمق نرمال مي‌گويند. [1]
انسان نيز مي‌تواند به دليل وسعت روح و به کمک نيروهاي معنوي مقاوم و محرک و پرهيز از افراط و تفريط به حالت تعادل رسيده و تحت تأثير مشکلات، در جريان زندگي دچار تلاطم نگردد که برآيند آن حرکت مثبت و فرايند رو به تعالي معنوي هست.
به تعبير احاديث «مؤمن مانند کوه استوار است که تندبادها او را به حرکت در نمي‌آورد». [2]
بايد توجه داشت که عامل تغيير در جريان، وجود نيروهاي با برآيند غيرصفر است و چنانچه برآيند نيروهاي محرک و مقاوم برابر با صفر باشد، جريان با وضعيت ثابت ادامه پيدا مي‌کند ولي وجود تغيير در جريان نيازمند وجود نيروهاي با برآيند غير صفر است. اين موضوع در نگاه بالاتر يکي از برهان‌هاي وجود خداوند متعال به نام «برهان حرکت» است. بر اساس اين برهان؛ هر تغييري، عامل تغيير لازم دارد و چون تسلسلِ تغييرات و محرک‌ها تا بي‌نهايت محال است، در نهايتِ امر بايد همه تغييرها منتهي به محرّک اوليه‌ي ثابتي بشوند که در اصل، آن محرّک و ثابت اوليه خدا است.[3].
جهت مطالعه بيشتر:
گاهي گفته مي‌شود: در برهان حرکت، اين اصل پذيرفته شده است که حرکت، بدون محرّک امکان‌پذير نيست اما طبق قانون اول نيوتن، حرکت نياز به نيرو (محرّک) ندارد بلکه تغييرِ حرکت نياز به نيرو (محرک) دارد.
در پاسخ بايد گفت: اين برداشت از اين قانون درست نيست. قانون اول نيوتن بيان مي‌دارد: «اگر جسمي ساکن باشد يا با سرعت ثابت به‌صورت يکنواخت و مستقيم‌الخط در حال حرکت باشد به فرض اينکه هيچ نيرويي به آن وارد نشود يا برآيند نيروهايي که بر آن وارد مي‌شود، صفر باشد؛ جسم، وضعيت قبلي خودش را حفظ مي‌کند». بر اساس اين قانون اگر جسمي به‌صورت ثابت، يکنواخت و مستقيم‌الخط در حال حرکت باشد، و هيچ نيروي مقاومي در برابر آن نباشد براي «استمرار حرکت» به محرّک نياز ندارد. اما هيچ بخش اين قانون نمي‌گويد جسم براي «حرکت اوليه» يا خنثي کردن نيروي مخالف، نياز به محرّک (نيرو) ندارد.
براي توضيح مطلب، بيان چند نکته لازم است:
دو نوع حرکت در عالم داريم: حرکت اوليه و استمرار حرکت. حرکت اگر به معناي آن باشد که «جسم از حالت سکون در نقطه الف به نقطه ب برسد» به آن حرکت اوليه مي‌گوييم و نياز به محرّک (نيرو) دارد. در اين صورت، اصلي که مي‌گويد: هر حرکتي به محرّک نياز دارد، صحيح است.
اما اگر حرکت به معناي «انتقال از نقطه الف به نقطه ب با سرعت ثابت يا متغير باشد» که به آن استمرار حرکت مي‌گوييم. بازهم اين حرکت، بي‌نياز از محرّک (نيرو) نيست. چون اولاً اين جسم، در ابتدا ساکن بوده و اين حرکت، توسط يک محرّک، به وجود آمده است. ثانياً در صورت وجود نيروي مقاوم، بازهم بايد نيرويي وجود داشته باشد تا بتواند نيروي مقاوم را خنثي کند. به اين معنا که خنثي شدن نيروي مقاوم نشان‌دهنده وجود نيروي محرّک است؛ لذا بازهم اين اصل که هر حرکتي به محرّک (نيرو) نياز دارد، صحيح است.
ضمناً بايد توجه داشت که منظور از حرکت در برهان مذکور، عام‌تر از حرکت در ديدگاه فيزيکي و مهندسي است. حرکت در برهان مذکور، معادل با تغيير است. يعني شامل حرکت مکاني (اعم از وضعي و انتقالي) و حرکت رشدي و تکاملي (يا از قوه به فعل رسيدن) است. يعني تبديل‌شدن يک شکوفه به سيب نيز تغيير و حرکت محسوب مي‌شود. همچنين بايد توجه داشت بر اساس اصل حرکت جوهري، حرکت در عالم هستي دائمي است و عالم در همه حالت‌ها به محرّک نياز دارد.
با توجه به اينکه در رابطه با «برهان حرکت» اشکالات قابل قبولي واردشده است ازجمله اينکه «اثبات اينکه محرک غير متحرک، واجب است يا ممکن، واحد است يا متعدد، کمالات او متناهي است يا غيرمتناهي، از توان اين برهان خارج است» به همين دليل اثبات وجود خداي متعال به‌عنوان محرک غير متحرک خارج از توان اين برهان است و وجود واجب‌الوجود بالذات و کمال مطلق و نامتناهي را اثبات نميکنند.
سرفصل: طراحي کانال
نمونه 32- مطلب درسي: ارتفاع آزاد کانال
در طراحي کانال بايد ارتفاع کانال را بيشتر از عمق آب براي دبي طرح در نظر گرفت. اگر کانال با ارتفاعي دقيقاً برابر با عمق جريان ساخته شود، چنانچه به هر دليلي عمق جريان افزايش يابد (افزايش دبي ورودي، رسوب‌گذاري، افزايش زبري، وزش باد و ...) آب از کانال بيرون مي‌ريزد که امر قابل قبولي نيست؛ لذا بايد ارتفاع ديواره کانال بيش از عمق جريان باشد که به اين ارتفاع اضافي، ارتفاع آزاد (Free Board) مي‌گويند و آيين‌نامه‌هاي مختلف، مقادير مختلفي را براي آن پيشنهاد داده‌اند. مقدار ارتفاع آزاد بر حسب شرايط کانال، نحوه بهره‌برداري و عوامل محلي مي‌تواند توسط مهندس طراح تعديل شود.
نزديک نشدن به لبه خطر و عدم حرکت روي مرزهاي غير ايمن، علاوه بر پروژه‌هاي مهندسي در زندگي عادي بشر نيز مي‌تواند مدنظر قرار گيرد. در اين مبحث مي‌توان به رعايت احتياط (علي‌الخصوص پرهيز از شبهات) در زندگي اشاره داشت. به عبارت ديگر انسان در زندگي نيز نبايد در غير از موارد اضطرار و اجبار، لب مرز خطر حرکت کند. شايد فلسفه مکروه بودنِ بعضي از اعمال اين باشد که انسان به حرام نزديک نشود و چه بسا بعضي از اعمال را که خدا نهي کرده است به دليل رعايت همين نکته بوده است[4].
سرفصل: جريان بحراني
نمونه 33- مطلب درسي: جريان بحراني و ويژگي‌هاي آن
زماني که مقدار انرژي مخصوص يک کانال کمينه باشد، عمق جريان را در اين حالت عمق بحراني گويند که تنها به شکل کانال و مقدار دبي جريان بستگي دارد. براي يک دبي معين، جريان با عمق‌هاي بيشتر از عمق بحراني به‌عنوان جريان زيربحراني و جريان‌هاي با عمق کمتر از عمق بحراني به‌عنوان جريان فوق بحراني شناخته مي‌شوند. رفتار جريان در اين دو حالت متفاوت است. در جريان زيربحراني جريان از بالادست و پايين‌دست خود اطلاعات جريان را دريافت کرده و لذا تغييرات عمق جريان در حالت زيربحراني معمولاً تدريجي است و در صورت ايجاد يک تغيير در مسير جريان (مثل وجود مانع) جريان قبل از رسيدن به مانع، به‌تدريج خود را با شرايط پايين‌دست تطبيق مي‌دهد. در جريان فوق بحراني، جريان هيچ اطلاعي از وضعيت پايين‌دست خود دريافت نمي‌کند و لذا کنترلي از طرف پايين‌دست روي جريان انجام نمي‌شود. به همين دليل در صورت وجود تغيير در کانال (مثل وجود مانع) جريان تا قبل از رسيدن به مانع نمي‌تواند خود را تطبيق داده و لذا با رسيدن به مانع، با تبديل جريان به جريان متغير سريع به شرايط ديکته شده در محل مي‌رسد. [5]
اين وضعيت در زندگي روزمره افراد نيز به نحوي قابل مشاهده است. مي‌توان در اين خصوص به تأثير عقبه موضوع در تصميم‌گيري (جريان فوق بحراني و زير بحراني) يا آينده‌نگري (جريان زير بحراني) پرداخت.
در احاديث اهل‌بيت g نيز بر لزوم دورانديشي بسيار تأکيد شده است. ازجمله حضرت علي g مي‌فرمايند: آنکه در عاقبت کارها دقيق شود از گرفتاري‌ها مصون مي‌ماند[6].
نيز مي‌فرمايند: هر کس در عاقبت کار بينديشد سالم مي‌ماند[7].
[1]. هيدروليک کانال‌هاي باز، ص 111.
[2]. «المُؤمِنُ كَالْجَبَلِ لَا تُحَرِّكُهُ الْعَوَاصِف» (شرح الكافي، ج9، ص172).
[3]. برگرفته از: توحيد، صص 180 تا 182.
[4]. خداوند در قرآن مي‌فرمايد به مال يتيم نزديک نشويد (مبادا وسوسه شويد و به مال يتيم دست‌اندازي کنيد) و يا مي‌فرمايد: به زنا نزديک نشويد. برخي از علماي اخلاق گفته‌اند به زنا نزديک نشويد يعني حتي نگاه شهوت‌آلود هم نکنيد. ملا احمد نراقي در معراج السعاده نقل مي‌کند از حضرت زکريا (ع) پرسيدند مقدّمه زنا چيست؟ فرمودند: نگاه حرام! (معراج السعاده، ص 318)
[5]. برگرفته از: هيدروليک کانال‌هاي باز، صص 160 تا 174.
[6]. «مَنْ راقَبَ الْعَواقِبَ سَلُمَ مِنَ النَّوائِب» (غررالحكم، ص630).
[7]. «مَنْ نَظَرَ فِى الْعَواقِبِ سَلِمَ» (همان، ص586).