مکانیک جسم سیال(۴)

سطح کشش

موقعى که هوا با سرعت از ديسک به‌طورى که در شکل a ملاحظه مى‌کنيد رد مى‌شود آن لايه‌اى از هوا که با ديسک در تماس مى‌باشد در نتيجه نيرويى که از طرف ديسک به آن وارد مى‌گردد از سرعتش کاسته مى‌شود. اين لايه سعى مى‌کند سرعت لايهٔ مجاور خود را کم کند و به همين طريق لايه‌هاى بعدى تحت تأثير قرار مى‌گيرند. در نتيجه اين کاهش سرعت در لايه‌هاى هواى اطراف ديسک کلفتى هواى تحت تأثير واقع شده با حرکت ديسک تدريجاً زياد مى‌شود. پس از طى مسافت معينى که اندازهٔ آن طبق سرعت و ماهيت جسم متفاوت مى‌گردد اين لايه تحت تأثير هوا ناپايدار شده و بجاى اينکه به حرکت موارى خود در مسير اوليه ادامه دهد به‌طور ناگهانى و با شدت در هم مخلوط مى‌شود.

اين انتقال هوا از جريان موازى به جريان مخلوط شده که در هواى محدودهٔ ديسک صورت مى‌گيرد و يا زير قطر آن افزوده مى‌شود و روند کند شدن و مخلوط شدن هوا را در سطح تقريبى ديسک باعث مى‌گردد، که اثر آن وارد کردن نيرو از طرف ديسک به هوا و بالعکس مى‌باشد (يا زير قطر آن افزوده مى‌شود و روند کند شدن و مخلوط شدن هوا را در سطح تقريبى ديسک باعث مى‌شود در اثر وارد کردن نيرو از طرف ديسک به هوا و بالعکس صورت مى‌گيرد) که به آن نيروى واکنشى ناشى از وارد کردن نيرو از طرف ديسک به هوا 'سطح کشش' مى‌گويند.

اندازهٔ کشش هر جسم مشخصى وابسته به چند عامل مى‌باشد:

۱. سرعت جريان هوا نسبت به جسم

۲. سطح برخورد جسم با هوا

۳. صاف و هموار بودن سطح جسم

۴. نوع محيط سيال درگير در حرکت

ليکن مربيان و ورزشکاران معمولاً براى کاهش آن تنها کوشش خود را صرف تنظيم يک و يا دو عامل از اين عوامل چهارگانه مى‌کنند. مربى قايقرانى ممکن است سطح برخورد جسم (قايق) با آب را به‌حساب آورد و نوع قايق مورد استفاده را به ورزشکاران خود توصيه کند. هر تغيير يک پوندى با سرعتى برابر ۱۷ فوت بر ثانيه يعنى در دو هزار متر چيزى به اندازهٔ نصف طول قايق اختلاف مسافت خواهد بود که مورد تأکيد و تائيد واقع شده است بنابراين دو قايق به طول ۶۰ فوت که يکى داراى محور اصلى ۲۰ اينچ و ديگرى ۲۸ اينچ مى‌باشد در طول يک مسابقه معمولى چيزى در حدود ۳۱/۲ طول قايق يعنى در حدود ۷۰ يارد مى‌باشد.

دومين عاملى که مربى و يا ورزشکار براى کم کردن سطح کشش در نظر خواهد گرفت نرمى و لغزندگى سطح بدن مى‌باشد. بدنهٔ قايق‌هاى مخصوص مسابقه را معمولاً واکس مى‌زنند با توجه به اين مطلب آقاى ويلکن گفته است که هرگاه بدنهٔ قايق بسيار زبر و ناهموار باشد در طول يک مسابقه ۲۰۰۰ مترى به اندازهٔ سه طول قايق به ضرر تيم مربوط مى‌باشد. جفت‌هاى فنرى ناهموار و بزرگ بر روى کفش‌هاى اسکى نيروى کشش را در يک مسابقهٔ اسکى (مارپيچ) به اندازه‌‌اى زياد کرده است که براى هر دقيقه از زمان مسابقه در حدود ۳/۰ ثانيه به رکورد مسابقه‌دهنده اضافه شده است.

لذا در يک مسابقه که حدود ۲ دقيقه طول مى‌کشد و پرندگان با صدم‌هاى ثانيه از يکديگر متمايز مى‌شوند اهميت اين عامل يعنى صاف و لغزنده بودن سطح به‌طور بديهى روشن مى‌گردد. در شنا نيز به رابطهٔ سطح مواجه با آب و درجهٔ لغزندگى و صافى آن توجه و علاقه نشان داده شده است. به‌طور مثال آقاى کارپويچ (Peter.V.Karpovich) در يکى از مطالعات اوليهٔ مربوط به مقاومت آب در فنّ شناورى به اين نتيجه رسيد که استفاده از شلوار شناى پشمى در مقايسه با شلوار ابريشمى و يا بدون شلوار مقاومت را در اثر سُر خوردن روى آب زياد مى‌کند. اخيراً به اين مسئله بيشتر توجه شده است و براى کاهش احتمالى نيروى کشش به شناگران توصيه شده است تا موهاى دست و پا و سينهٔ خود را بتراشند ليکن بعيد به‌نظر مى‌رسد که اثر اين کار به آن اندازه باشد که بتواند در سرنوشت شناگر تغيير قابل توجهى ايجاد کند.

اثر مگنوس (Magnus Effect)

براى اولين‌بار يکى از دانشمندان آلمانى به نيرويى که موجب حرکت قوسى و يا موزى‌شکل اجسام در فضا مى‌شود توجه نمود. ظرافت خيره‌کننده در پرواز قوسى‌شکل توپ در اکثر ورزش‌هاى توپى و به‌خصوص براى بازيکنان ماهر در ورزش گلف چيز ناشناخته‌اى نيست. در تنيس، بيسبال، فوتبال، واليبال و بسيارى از ورزش‌هاى ديگر نيز مى‌توان توپ را در يک مسير قوسى و يا موزى‌شکل در فضا به پرواز درآورد به شرط اينکه ورزشکار به اندازهٔ کافى و قبل از قرار گرفتن توپ در فضا، چرخش لازم را در آن ايجاد کرده باشد. اين ويژگى حرکت توپ در فضا را مى‌توان به شرح زير تفسير نمود. موقعى که يک جسم در حال چرخيدن است سعى دارد تا هواى مجاور خود را که در تماس مستقيم با سطح آن مى‌باشد همراه خود بچرخاند و اين هوا به نوبهٔ خود سعى مى‌کند بر روى هواى مجاور اثر بگذارد. با اين شيوه جسم داراى يک لايهٔ هوا در مرز و محدودهٔ خود مى‌شود که آن را با خود مى‌چرخاند. در تصوير A پيکان‌هاى A و B نمايانگر جهت چرخش توپ گلف همراه با لايهٔ هوايى مجاور آن مى‌باشند.

علاوه بر اين مشخص شده است که لايهٔ هوايى سمت چپ توپ مسير حرکتش با جريان هوا از روبرو يکسان مى‌باشد. در صورتى که در سمت ديگر توپ يعنى در سمت راست آن جهت حرکت لايهٔ هوايى مجاور توپ و جريان هوا از روبرو يکسان نبوده و مخالف يکديگر است. اين اختلاف در جهت حرکت لايهٔ هوايى مجاور توپ در دو سمت آن نسبت به جريان هوا از روبرو منجر به توليد اختلاف فشار هوا در دو سمت توپ مى‌شود. در سمت راست توپ که دو جريان داراى جهت‌هاى مخالف يکديگر هستند فشار هوا زياد خواهد بود ليکن در سمت چپ به‌علت يکسان بودن جهت دو جريان فشار هوا در آن منطقه کم بوده و در نتيجه اين اختلاف فشار هوا در دو سمت توپ، نيرويى به‌وجود مى‌آيد که بر روى توپ از راست به چپ اثر گذاشته، عمل مى‌کند و توپ را از مسير مستقيم خود به سمت چپ منحرف مى‌سازد.

باوجود اينکه اثر مگنوس در بعضى از ورزش‌ها دلخواه نبوده، موجبات شرمندگى ورزشکار را فراهم مى‌‌کند ليکن در بسيارى از ورزش‌ها اجراکنندهٔ مهارت با استادى آن را به‌کار برده و براى خود آن را به‌عنوان امتيازى به‌حساب مى‌آورد. حتيٰ در ورزشى مانند گلف که توپ‌هاى بريده يا قوسى معمولاً به‌عنوان خطا تلقى مى‌شوند در بعضى از موارد بازيکن از اثر مگنوس در ضربه‌زدن به توپ به سود خود بهره مى‌گيرد. به‌طور مثال موقعى که ضربه به‌طور صحيح به توپ گلف زده مى‌شود در آن توليد چرخش به عقب مى‌کند. اين چرخش در زير توپ توليد ناحيهٔ فشار هواى زياد کرده، به‌نوبهٔ خود باعث بالا رفتن و طولانى شدن پرواز توپ مى‌گردد.

آقايان کوچران و استوبز (Cochran and Stobbs) نمايش جالبى از اهميت اين مطلب در مقايسهٔ پرواز توپ گلف که يکى با چرخش به عقب و ديگرى بدن چرخش زده شده است ارائه نموده‌اند. در حالت اول که توپ با چرخش به عقب پرواز کرده است توپ به اندازهٔ ۷۰ فوت در هوا بالا مى‌رود و مدت ۵/۵ ثانيه در فضا بوده و مسافتى برابر با ۲۰۰ يارد را طى مى‌کند در صورتى که، در مقايسه، توپ بدون چرخش تنها به اندازهٔ ۲۰ فوت از زمين بلند شده، مدت پرواز آن ۱/۲ ثانيه و مسافت طى شده کمى بيشتر از ۱۱۲ يارد (۲/۱۰۱ متر) مى‌باشد. بازيکنان تنيس و تنيس روى ميز دقيقاً اثر عکس آن را در توپ ايجاد مى‌کنند اثر مگنوس در بالاى توپ ايجاد شده و آن را با فشار به طرف زمين مى‌راند و در نتيجه زمان پرواز توپ کوتاه مى‌شود و حريف وقت زيادى براى برگرداندن توپ در اختيار نخواهد داشت، اين امر موجب تعجيل در ضربه‌ زدن و احتمال ارتکاب خطا و اشتباه بيشتر از طرف حريف مى‌گردد. اين نوع ضربه‌ها که در توپ ايجاد چرخش به جلو مى‌کنند به‌طور گسترده و متداول به‌عنوان ضربه‌هاى تهاجمى به‌کار گرفته مى‌شوند.

اثر مگنوس مى‌تواند در ضربه‌هاى کُرنر در بازى فوتبال نيز مفيد و مؤثر واقع گردد. در صورتى که ضربه کمى از مرکز توپ دورتر و به‌طورى که توپ حول محور عمودى خود به چرخش درآيد، زده شود و در نتيجه فشار ايجاد شده در آن سمت توپ که از دروازه دورتر است بيشت بشود، (اثر مگنوس) توپ از مسير مستقيم خارج شده و احتمال دارد ضربهٔ کُرنر مستقيماً وارد دروازهٔ حريف گردد. (شکل B).