Suyuqlik va gaz

SUYUQLIK VA GAZ

MEXANIKASI
Reja:
1. Fanning mexanikadagi o‘rni.
2. Suyuqlik va gaz mexanikasining predmeti va metodi.
3. Suyuqlik va gaz mexanikasi fani rivojining zamonaviy bosqichi.
4.Suyuqlikning asosiy fizik xossalari va parametrlari. Kuchlar va kuchlanishlar
Fanning mexanikadagi o‘rni.
Har qanday fan kabi «Suyuqlik va gaz mexanikasi» fani ham ba’zi abstrakt tushunchalarga tayanadi, masalan, massa, tezlik, kuch, tezlanish, energiya va hokazo. Harakatlanayotgan moddiy jism uchun esa abstrakt modellar kiritiladi, bu modellar o‘z navbatida o‘rganilayotgan masala uchun tabiiy jismning juda muhim bo‘lgan xossalarini o‘zida ifodalaydi. Shuning uchun mexanikada asosan moddiy nuqta, absolyut qattiq jism (yoki moddiy nuqtalar sistemasi), tutash muhit kabi modellardan foydalaniladi:

1. 
   Moddiy nuqta (o‘lchamlari hisobga olmaslik darajada kichik chekli massali jism) modelidan, masalan, jismning harakat traektoriyasini o‘rganishda foydalaniladi.
   
2. 
   Absolyut qattiq jism (oralaridagi masofa o‘zgarmas holda joylashgan moddiy nuqtalar to‘plami) modelidan, masalan, jismning fazodagi holati, shakli va o‘lchami muhim bo‘lgan holatda foydalaniladi.
   
3. 
   Tutash muhit modelidan esa jism tutashlik xossasiga ega, qo‘yilgan kuch ta’siridagi u deformatsiyalanuvchan va uning massasi fazo bo‘ylab notekis taqsimlangan holatda foydalaniladi.
   

Endi bu modellar uchun muhim bo‘lgan ba’zi tushunchalarni keltirib o‘taylik.

Moddiy sistema diskret deyiladi, agar u alohida joylashgan moddiy nuqtalardan iborat bo‘lsa, va aksincha u tutash deyiladi, agar unda moddalar, uning holatining fizik xarakteristikalari va fazodagi harakati uzluksiz taqsimlangan bo‘lsa. Ikkinchi holatda sistema tutash moddiy muhit yoki qisqacha tutash muhit deyiladi. Tutashlik gipotezasi Dalamber tomonodan 1744 yilda kiritilgan.

Masalan, qattiq jismlar, suyuqliklar (masalan, suv, yog‘, qorishma, eritma va hokazo), gazlar (masalan, gaz, bug‘, gaz aralashmalari va hokazo) tutash muhitga misol bo‘la oladi. O‘zgaruvchan tutash muhit mexanikada elastik va qovushoq hamda suyuq va gaz holatdagi jismlar deb o‘rganiladi.

Mexanikaning o‘zgaruvchan muhitlar harakatini o‘rganuvchi bo‘limi tutash muhitlar mexanikasi deyiladi, uning suyuq va gaz holatidagi muhitlarga aloqador bir qismi suyuqlik va gaz mexanikasi deyiladi.

Tutash muhitning zarrachasi deb o‘lchamlari molekulyar masofalardan ko‘p marta katta bo‘lgan muhit hajmining juda kichik elementiga aytiladi. Suyuqlikning zarrachalarini taqriban nuqtaviy deb hisoblash mumkin.

Suyuqlik deb ikkita alohida xususiyatga ega bo‘lgan fizik jismga aytiladi: yetarlicha kishik kuch ta’sirida ham o‘z hajmini keskin o‘zgartiruvchan va oquvchan, yengil qo‘zg‘aluvchan. Boshqacha aytganda, suyuqliklar - bu molekulalari betartib joylashgan, vaqti-vaqti bilan bir muvozanat holatdan boshqasiga sakrab o‘tib turadigan moddalar. Suyuqlikning eng muhim mexanik xarakteristikalari bu uning zichligi, solishtirma og‘irligi va qovushoqligi. Suyuqliklar ikki ko‘rinishda bo‘ladi: tomchili suyuqliklar; gazsimon suyuqliklar. Tomchili suyuqliklar odatdagi umumiy suyuqlik deb ataluvchi tushuncha bilan ifodalanuvchi suv, neft, kerosin, yog‘ va hokazo moddalar. Gazsimon suyuqliklar esa odatdagi gazsimon moddalar: havo, kislorod, azot, propan va hokazo.

Suyuqlik va gaz mexanikasida «suyuqlik» tushunchasi kengroq ma’noda ishlatiladi. Tajribalar shuni ko‘rsatadiki, tovush tezligiga yaqin, lekin undan pastroq tezliklarda gazlar o‘zini siqilmaydigan suyuqlikdek tutadi, tomchili suyuqliklar (masalan, suv) esa katta bosimlarda o‘zini siqiluvchan suyuqlikdek tutadi. Shuning uchun suyuqlik deganda kam siqiluvchan tomchili suyuqliklarni va osongina siqiluvchan suyuqliklar (gazlar)ni tuchunishga kelishib olingan.

Ingliz tilidagi «Fluid» so‘zi ham suyuqlik, ham gaz ma’nosini anglatadi. Ideal gazlarning fizik-mexanik xarakteristikalarini gazlarning kinetik nazariyasi yordamida molekulyar darajada olish mumkin, ammo suyuqliklarning umumiy kinetik nazariyasi hozirgacha yaratilmagan. Texnologik maqsadlar uchun suyuqlik va gaz mexanikasini alohida- alohida ikkita bo‘lim sifatida rivojlantirish zarur, degan fikr hayolga keladi, aslida esa bunga hech qanday zarurat yo‘q. Haqiqatan ham, umumiy «fluid»ni bir jinsli substansiya yoki kontinium deb qarasak va ularga massaning, impulsning va energiyaning saqlanish qonunlarini tadbiq qilsak, juda ko‘p oqimlarning yuqori aniqlikda tavsifini berish mumkin.

Suyuqlik va gazlarning, qattiq jismlardan farqli har xil asosiy belgilarini keltirish mumkin.

Ma’lumki, hamma kuchlarni uch turga ajratish mumkin: siquvchi; cho‘zuvchi; urinma. Tutash muhitlar esa bu kuchlar ta’sirida mos ikki turda deformatsiyalanadi: siqiladi (yoki cho‘ziladi); siljiydi.

Har ikkala turdagi deformatsiyalarga yaxshi qarshilik ko‘rsatuvchi tutash jismlar qattiq jismlardir. Qattiq jismlar oddiy sharoitda o‘z shaklini saqlab turadi, suyuqlik va gazlar esa ularni o‘rab turgan idish shaklidagina tura oladi. Shunga ko‘ra suyuqlik va gazlarning tashqi kuchlarga qarshiligi juda kam, ya’ni ular juda ham oson deformatsiyalanuvchan yoki qo‘zg‘aluvchan (oquvchan)dir.

Kuzatishlar shuni ko‘rsatadiki, suv, neft va boshqa moddalar suyuqliklar deb atalib, ular: siquvchi kuchlarga jiddiy qarshilik ko‘rsatadi; uzilishga (cho‘zuvchi kuchlarga), aksincha, deyarli qarshilik ko‘rsatmaydi; urinma kuchlarga (ya’ni zarrachalarning bir biriga nisbatan siljishiga) esa siljish tezligiga qarab har xil qarshilik ko‘rsatadi. Bu tezlik qancha katta bo‘lsa qarshilik ham shuncha katta bo‘ladi. Gazlar ham xuddi shunday xossalarga ega.

Suyuqlik va gazlarning farqi shundaki, suyuqliklar siqilishda o‘z hajmini juda ham kam o‘zgartiradi, gazlar esa Boyl-Mariot qonuniga bo‘ysungan holda ancha sezilarli siqiladi. Qattiq jismlar uchala xil zo‘riqishlarga (siqilish; cho‘zilish; siljish) yetarlicha qarshilik ko‘rsata oladi.

Suyuqlik tinch turganda yoki absolyut qattiq jismdek harakat qilayotganda unda urinma kuchlanishlar bo‘lmaydi va faqatgina normal kuchlanishlar kuzatiladi. Kuzatilayotgan suyuqlikdagi normal kuchlanishlar asosan siquvchi kuchlanishlardir, ammo cho‘zuvchi emas. Gazlarda esa cho‘zuvchi kuchlanishlar umuman kuzatilmaydi. Real tomchili suyuqliklarda cho‘zish kuchlanishi qisman va juda kam miqdorda kuzatilishi mumkin, ya’ni suyuqlikning uzilishdagi mustahkamligi qattiq jismlarga nisbatan juda kichik bo‘ladi. Agar suyuqlik aralashmalardan iborat bo‘lsa, u holda uning mustahkamligi keskin kamayadi.

Shunday qilib, deformatsiyadagi qarshilik ko‘rsatish xususiyatiga qarab fizik jismlar ikki guruhga bo‘linadi: suyuqliklar (bunda gazlar ham tushuniladi) va qattiq jismlar. Birinchi guruhdagilarni yana qism guruhlarga ajratish mumkin: siqilmaydigan (ko‘pincha ular tomchili suyuqliklar deb ataladi) va siqiluvchan (ular gazsimon ham deb ataladi) suyuqliklar. Tutash muhitni siqilmaydigan deb qarash mumkin, agar qachonki uning hajmini o‘zgartirishga olib keluvchi cho‘zuvchi (siquvchi) deformatsiyalarni hisobga olmaslik darajada kichik bo‘lsa. Bunga nisbatan juda kichik tezliklarda harakat qilayotgan tomchili suyuqliklar, gazlar va plazmalar misol bo‘la oladi. Tushunamizki, barcha suyuqliklar siqiluvchan, ammo ularning ko‘pchiligidagi siqilishlarni e’tiborga olmasa ham bo‘ladi. Masalan, suv 1 atm bosimda o‘zining dastlabki hajmiga nisbatan uning 1/20000 qismigacha siqiladi.

Endi tutash muhitlarning, xususan suyuqliklarning, ba’zi xossalarini keltiraylik (keyinchalik quyida muhim xossalari bilan batafsil tanishiladi).

Har xil suyuqliklarning tutashish chegarasida yoki suyuqlik va qattiq yoki gaz shaklidagi jism bilan tutashish chegarasida suyuqlikning tomchili xossasi paydo bo‘ladi va bunda uning qattiq jism sirtini namlash hodisasi kuzatiladi. Suyuqliklarning bunday tomchili xossasi ularning ichki sohasida ham, masalan, kavitatsiya hodisasi sodir bo‘lishi mumkin bo‘lgan suyuqlik ichida gaz pufakchali sohalari mavjud bo‘lganda, kuzatilishi mumkin. Gazlar suyuqliklarga nisbatan juda ham sezilarli darajada siqiluvchan. Bosimning juda ham kam kamayishi, harakatning juda kichik tezligida muhitning qizish holati yo‘q holatlarida gazni ham siqilmay- digan muhit deb qarash mumkin. Shuning uchun har bir muhitning siqiluvchanlik darajasi bir-biridan keskin farq qiladi.

Suyuqlik va gazlarning siljishga qarshilik ko‘rsatish xossasi qovushoqlik deb ataladi. Hamma suyuqliklar qovushoqlik (siljish tezligiga proporsional bo‘lgan ishqalanish kuchlanishiga ega Nyuton suyuqligi) xususiyatiga ega.

Yuqorida ta’kidlaganimizdek, suyuqlik deb tomchili suyuqliklarni, gazlar va plazmalarni qabul qilgan holda, ularning qattiq jismlardan farq qiluvchi muhim jihati - bu ularning oquchanligini e’tiborga olib, suyuqlik va gaz mexanikasida suyuqliklar modellari quyidagicha klassifikatsiya- lanadi: siqiluvchan yoki siqilmaydigan suyuqlik modeli; ideal yoki qovushoq suyuqlik modeli. Ideal suyuqlik deb absolyut qovushoqmas, uzilish va siljish qarshiligiga umuman qarshilik ko‘rsatmaydigan (ichki ishqalanishga ega bo‘lmagan) suyuqlikni hayolan tushunamiz. Bu barcha asosiy xususiyatlarini o‘zida aks ettiruvchi real suyuqlik modeli deb qabul qilingan bo‘lib, unda suyuqlikning siqiluvchanlik yoki siqilmaslik xossasini e’tiborga olish mumkin. Bu model yordamida, masalan, suyri jismli suyuqlik oqimidagi tezliklar taqsimoti va bosimni aniqlash mumkin, ammo bu model suyuqlikning qovushoqligi ta’sirini va ayniqsa qarshilik kuchlarini aniqlash imkonini bermaydi. Qovushoq suyuqlik modeli esa siqiluvchan yoki siqilmaydigan real suyuqlik modelidir. Suyuqlikning qovushoqligini e’tiborga olish uning oqimini tavsiflovchi differensial tenglamalarni ancha murakkablashtiradi.

Shunday qilib, mexanika fani tuzilmasi nazariy mexanika (moddiy nuqta mexanikasi; moddiy nuqtalar sistemasi mexanikasi; absolyut qattiq jism mexanikasi) va tutash muhit mexanikasi (deformatsiyalanuvchan qattiq jism mexanikasi; suyuqlik va gaz mexanikasi (suyuqlik kinematikasi; gidrostatika; suyuqlik dinamikasi))dan iborat.