FLUID MECHANICS นายณรงค์ศักดิ์ ปรมัตถ์ศักดิ์
หนัง นั สือ สื อิเอิล็ก ล็ ทรอนิกส์ (E-Book)เล่มนี้จั นี้ ด จั ทำ เพื่อ พื่ สรุป รุ เนื้อ นื้ หากลศาสตร์ของไหลเพื่อ พื่ ให้ง่ายต่อการ ศึก ศึ ษาและการเข้าถึง ถึ เพราะปัจ ปั จุบั จุ น บั บุค บุ คลทั่วไป สามารถเข้าถึง ถึ สื่อ สื่ ได้ง่ายดายทางผู้จัด จั ทำ เห็น ห็ ว่าเหมาะ สมกับ กั ยุค ยุ สมัย มั นี้จึ นี้ ง จึได้มีก มี ารสร้างหนัง นั สือ สื อิเอิล็ก ล็ ทรอนิกส์ (E-Book) การจัด จั ทำ หนัง นั สือ สื อิเอิล็ก ล็ กรอนิกส์ (E-Book)เล่มนี้ ผู้จัด จั ทำ ได้รวบรวมข้อมูล มู ต่างๆโดยข้อมูล มู ที่ไ ที่ ด้มานั้น นั้ มาจากสื่อ สื่ อิเอิล็ก ล็ ทรอนิกส์ในปัจ ปั จุบั จุ น บั เพื่อ พื่ ให้ง่ายต่อ การเรีย รี นรู้ ท้ายนี้ ผู้จัด จั ทำ หวัง วั อย่างยิ่ง ยิ่ ว่าหนัง นั สือ สื อิเอิล็ก ล็ กรอนิ กส์ (E-Book) เล่มนี้จ นี้ ะเป็น ป็ ประโยชน์ ต่อผู้เรีย รี น บุค บุ คลทั่วไป ที่ใ ที่ ช้ในการศึก ศึ ษาหาความรู้ด้วยตนเอง และครูอ รู าร์จารย์ผู้ ย์ ผู้ สอนในรายวิชวิานี้ หากหนัง นั สื่อ สื่ เล่ม นี้มี นี้ ข้ มี ข้ อบกพร่องหรือ รื ผิดผิพลาดประการใด อัน อั อาจจะ เกิดกิด้วยเหตุผ ตุ ลใดก็ต ก็ าม ต้องขออภัย ภั ไว้ ณ โอกา สนี้ด้ นี้ ด้ สย ยินยิดีรั ดี บ รั คำ ติชติมเพื่อ พื่ ใช้เป็น ป็ แนวทางในการ ปรับ รั ปรุง รุ และแก้ไขในโอกาสต่อไป คำ นำ ผู้จัด จั ทำ ณรงค์ศั ค์ ก ศั ดิ์ ปรมัต มั ถ์ศัก ศั ดิ์
กลศาสตร์ของไหล (Fluid mechanics) เป็นวิชวิา ที่เ ที่ กี่ย กี่ วข้องกับ กั การศึก ศึ ษาพฤติกติรรมและผลที่เ ที่ กิดกิ ขึ้น ขึ้ เนื่อ นื่ งจากของไหลที่ก ที่ ระทบต่อผิวผิของวัต วั ถุที่ ถุ ที่ สัม สั ผัส ผั หรือ รื กระทบต่อของไหลอีก อี ชนิด โดยที่ ของไหลดัง ดั กล่าวอาจจะอยู่ในสภาวะที่เ ที่ คลื่อ ลื่ นที่ห ที่ รือ รื สภาวะที่อ ที่ ยู่นิ่ง นิ่ ก็ไก็ ด้ กลศาสตร์ของไหลจะมีค มี วาม สำ คัญ คั ต่อ การดำ รงชีพ ชี ของคนเราในทุก ทุ ๆวัน วั ความสำ คัญของกลศาสตร์ของไหล นิยามของของไหล ของไหล (Fluid) หมายถึง ถึ สสารที่ส ที่ ามารถไหลได้ โดยมีรู มี ป รู ร่างเปลี่ย ลี่ นแปลงไปตามภาชนะที่บ ที่ รรจุ เมื่อ มื่ ของไหลอยู่ในสภาวะสมดุล ดุ ของไหลไม่ สามารถรองรับ รั แรงเฉือ ฉื นได้ ซึ่ง ซึ่ จะแตกต่างกับ กั ของแข็ง ข็ (Solid) เมื่อ มื่ ถูก ถู กระทำ ด้วยแรงเฉือ ฉื น (Shear force) ของแข็ง ข็ จะเปลี่ย ลี่ นรูป รู ร่างและจะ หยุด ยุ เปลี่ย ลี่ นรูป รู ร่างเมื่อ มื่ เข้าสู่สมดุล ดุ สุด สุ ท้าย (Δα) ลัก ลั ษณะของแรงเฉือ ฉื นที่ก ที่ ระทำ บนของแข็ง ข็ และบน ของไหลทุก ทุ ชนิดจะยุบ ยุ ตัว ตั ตามความดัน ดั ได้เล็ก ล็ น้อย
ดัง ดั นั้น นั้ การจัด จั ประเภทของของไหลจึง จึ แบ่งได้ตามความสามารถในการยุบตัว ตั ดัง ดั นี้ 1) ของไหลที่ยุบตัว ตั ตามความดัน ดั (อัด อั ตัว ตั ได้) (Compressible fluid) หมายถึง ถึ ของไหล ชนิดที่มีค มี วามดัน ดั เปลี่ยนแปลงปริมริาตรของ ของไหลเปลี่ยนแปลงมากและค่าความหนา แน่นเปลี่ยนแปลงมาก เช่น ก๊าซ จัด จั ว่าเป็น ของไหลยุบตัว ตั ตามความดัน ดั หรือ รื อัด อั ตัว ตั ได้ 2) ของไหลที่ไม่ยุบตัว ตั ตามความดัน ดั (อัด อั ตัว ตั ไม่ ได้) (Incompressible fluid) หมายถึง ถึ ของ ไหลชนิดที่เมื่อ มื่ ความดัน ดั เปลี่ยนแปลงปริมริาตร ของของไหลเปลี่ยนแปลงน้อยมากและค่า ความหนาแน่นคงที่หรือ รื เปลี่ยนแปลงเล็กน้อย เช่น ของเหลว จัด จั ว่าเป็นของไหลที่ไม่ยุบตัว ตั ตามความดัน ดั หรือ รื อัด อั ตัว ตั ไม่ได้ นิยามของของไหล
ความหนาแน่น (Density, p ) คือ คื มวลสารต่อหนึ่งหน่วยปริมริาตร ความหนาแน่น เป็นลัก ลั ษณะหนึ่งซึ่ง ซึ่ แสดงถึง ถึ คุณสมบัติ บั เติชิงชิ กายภาพของสสาร ในการศึก ศึ ษากลศาสตร์ ของไหลเบื้อ บื้ งตัน ตั (ที่ของไหลมีค มี วามเร็ว ร็ ต่ำ กว่า ความเร็ว ร็ เสีย สี งมาก) สามารถกำ หนดให้ความ หนาแน่นของของไหลเป็นค่าคงตัว ตั ได้ ความหนาแน่นสัม สั พัท พั ธ์ (Relative Density) ของสารใด หรือ รื ความถ่วงจำ เพาะ คือ คื อัต อั ราส่วนระหว่างความหนาแน่นของสารนั้น นั้ กับ กั ความหนาแน่นของสารอ้างอิงอิ โดยทั่วไป นิยมใช้ความหนาแน่นของน้ำ บริสุริ สุ ทธิ์ที่ ธิ์ ที่ อุณหภูมิ 4 องศาเซลเชีย ชี ส เป็นความหนาแน่น อ้างอิงอิ สมบัติพื้นฐานของของไหล
สมบัติพื้นฐานของของไหล
แรงดัน ดั ( Force, F ) คือ คื ผลคูณระหว่าง ความดัน ดั กับ กั พื้น พื้ ที่ที่ถูกแรงกระทำ แรงดัน ดั เป็นปริมริาณเวกเตอร์ มีห มี น่วยเป็น นิวตัน ตั ความดัน ดั ( Pressure, P ) คือ คื อัต อั ราส่วน ระหว่างแรงที่กระท้าต่อพื้น พื้ ที่ที่ถูกแรง กระทำ โดยพื้น พื้ ที่นั้น นั้ ต้องตั้ง ตั้ ฉากกับ กั แรง กระทำ ด้วย ความดัน ดั เป็นปริมริาณสเกลาร์ มีห มี น่วยเป็นนิวตัน ตั ต่อตารางเมตร หรือ รื พาสคัล คั (Pa) แรงที่ของเหลวกระทำ ต่อผนัง นั ภาชนะและ วัต วั ถุที่จมจะมีทิ มี ทิศตั้ง ตั้ ฉากกับ กั ผนัง นั ภาชนะ และวัต วั ถุที่จมเสมอ และถ้าเราลองเจาะรูข รู องภาชนะ จะพบว่า แรงที่ของเหลวจะดัน ดั น้าให้พุ่งออกมาตั้ง ตั้ ฉากกับ กั ภาชนะที่ตำ แหน่งที่เจาะรูเ รู สมอ ดัง ดั รูป รู ความดัน ดั ในของแหลว หมายเหตุ : สมบัติพื้นฐานของของไหล
สมบัติพื้นฐานของของไหล
กฎของปาสคาลกล่าวว่า “ถ้าให้ความดัน ดั แก่ ของเหลวที่อยู่ในภาชนะปิดใดๆ ความดัน ดั นั้น นั้ จะส่งไปทั่วทุก ๆ ส่วนของของเหลว และที่ผนัง นั ของภาชนะซึ่ง ซึ่ บรรจุของเหลวนั้น นั้ ” กฎของ ปาสคาลแสดงให้เห็น ห็ ได้โดยเครื่อ รื่ งอัด อั ไฮดรอ ลิก (hydraulic press) ดัง ดั ภาพ กฎของปาสคาล หลักของอาร์คีมีดิส “เมื่อ มื่ วัต วั ถุทั้ง ทั้ ก้อนหรือ รื เพียงบางส่วนจมลงใน ของเหลว ของเหลวจะออกแรงในทิศขึ้น ขึ้ กระทำ ต่อวัต วั ถุมีข มี นาดเท่ากับ กั ขนาดน้ำ หนัก นั ของ ของเหลวซึ่ง ซึ่ ถูกแทนที่และแรงนี้คือ คื แรง ลอยตัว ตั ของของเหลวนั้น นั้ เอง”
สมบัติพื้นฐานของของไหล
ความตึง ตึ ผิวผิคือ คื แรงระหว่างโมเลกุลของ ของเหลวที่ดึง ดึ กัน กั ไว้ ทำ ให้ผิวผิของเหลว ราบเรีย รี บและตึง ตึ ซึ่ง ซึ่ ความตึง ตึ ผิวผิของ ของเหลวแต่ละชนิดที่อุณหภูมิเมิดีย ดี วกัน กั มี ค่าไม่เท่ากัน กั สำ หรับ รั ของเหลวชนิดหนึ่ง ความตึง ตึ ผิวผิจะเปลี่ยนไปเมื่อ มื่ ของเหลวมี สารเจือ จื เช่น น้ำ เกลือหรือ รื น้ำ สบู่จะมีค มี วาม ตึง ตึ ผิวผิน้อยกว่าน้ำ และความตึง ตึ ผิวผิจะลด ลงเมื่อ มื่ อุณหภูมิขมิองของเหลวเพิ่ม พิ่ ขึ้น ขึ้ และ แรงดึง ดึ ผิวผินี้จะมีทิ มี ทิศขนานกับ กั ผิวผิของเหลว และตั้ง ตั้ ฉากกับ กั ขอบที่ของเหลวสัม สั ผัส ผั ความโค้งของผิวผิของเหลว กล่าวคือ คื ของเหลวในภาชนะจะมีผิ มี วผิลัก ลั ษณะโค้งนูน หรือ รื โค้งเว้า ขึ้น ขึ้ กับ กั แรงระหว่างแรงเชื่อ ชื่ ม แน่น(cohesive force)ที่เกิดกิขึ้น ขึ้ ระหว่างโม ลุกุลชนิดเดีย ดี วกัน กั กับ กั แรงยึด ยึ ติดติ(adhesive)ที่เกิดกิขึ้น ขึ้ ระหว่างโมเลกุล ต่างชนิดกัน กั สมบัติพื้นฐานของของไหล
ความหนืด คือ คื ของไหลที่มีค มี วามหนืดมากจะมี แรงต้านการเคลื่อ ลื่ นที่อัน อั เนื่องมาจากความ หนืดของของไหล เรีย รี กว่า “แรงหนืด” แรง หนืดที่กระทำ ต่อวัต วั ถุขึ้น ขึ้ อยู่กับ กั ขนาดความเร็ว ร็ ของวัต วั ถุและแรงนี้มีทิ มี ทิศตรงกัน กั ข้ามกับ กั การ เคลื่อ ลื่ นที่ของวัต วั ถุ การไหลแบบราบเรีย รี บ (laminar flow) เป็นการเคลื่อ ลื่ นที่อย่างเป็นระเบีย บี บ โดยชั้น ชั้ ของไหลที่อยู่ติดติกัน กั จะเลื่อ ลื่ นผ่านกัน กั อย่างราบ เรีย รี บไม่ปะปนกัน กั และเส้นทางการไหลของ แต่ละอนุภาคจะไม่ตัด ตั กัน กั การไหลแบบปั่นป่วน (turbulent flow) เกิดกิ ขึ้น ขึ้ เมื่อ มื่ การเคลื่อ ลื่ นที่ของของไหลมีค มี วามเร็ว ร็ มากจนถึง ถึ ค่าหนึ่ง ซึ่ง ซึ่ มีลั มี ก ลั ษณะยุ่งเหยิงไม่ เป็นระเบีย บี บและมีรู มี ป รู แบบที่ซับ ซั ซ้อน เป็นวิชวิาที่ว่าด้วยการเคลื่อ ลื่ นที่ของของไหล ใน ปัจ ปั จุบัน บั ได้แบ่งการไหลของของไหลออกเป็น 2 ประเภทหลัก ลั คือ คื สมบัติพื้นฐานของของไหล พลศาสตร์ของไหล
การไหลแบบคงตัว ตั (Steady flow) การไหลแบบไม่หมุน (irrotational flow) การไหลแบบอัด อั ตัว ตั ไม่ได้ (incompressible flow) การไหลแบบไม่มีค มี วามหนืด (nonviscous flow) เส้นกระแสเป็นการสร้างเส้นที่เรีย รี กว่าสาย กระแส (stream ine) โดยบอกทั้ง ทั้ ขนาด และทิศทางของความเร็ว ร็ ที่ทุกๆ จุดในลำ ของเหลวที่เคลื่อ ลื่ นที่ สมการการต่อเนื่อง (equation of continuity) และ สมการแบร์นูลลี (Bernoulli’s equation) อธิบธิาย ดัง ดั รูป รู ของไหลอุดมคติ จะต้องมีส มี มบัติ บั เติกี่ย กี่ วกับ กั การไหล 4 ข้อ ดัง ดั นี้ ซึ่ง ซึ่ สามารถอธิบธิายพฤติกติรรมของการไหลให้ เข้าใจได้ง่ายด้วย เส้นกระแส สมการการต่อ เนื่อง (equation of continuity) และสมการ แบร์นูลลี (Bernoulli’s equation) ของไหลอุดมคติ
สมบัติพื้นฐานของของไหล
FLUID MECHANICS นายณรงค์ศักดิ์ ปรมัตถ์ศักดิ์