نیروی درگ و نیروی شناوری چیست؟

در این مطلب قصد داریم نیروی درگ و نیروی شناوری (نیروی بویانسی) را معرفی و در پایان تفاوت این دو نیرو را در مکانیک سیالات بیان کنیم.

نیروی درگ:

نیروی درگ عبارت است از نیروی مقاومت ناشی از حرکت یک جسم از میان یک سیال مانند آب یا هوا. یک نیروی درگ بر خلاف جهت سرعت جریان وارد شده عمل می کند. این سرعت، سرعت نسبی بین جسم و سیال است.

نیروی درگ \(D\) بر روی جسم که در اثر حرکت سیال انجام می شود ، اعمال می شود:

$$D={1\over2}C_DρAv^2$$

که در آن:
\(C_D\) ضریب درگ است که می تواند با توجه به سرعت جسم متفاوت باشد. اما معمولا از مقادیر 0.4 تا 1.0 برای مایعات مختلف (مانند هوا و آب) متغیر است.
\(ρ\) چگالی سیالی است که جسم درون آن حرکت می کند.
\(v\) سرعت جسم نسبت به سیال است
\(A\) سطح مقطع جسم عمود بر جهت جریان (یعنی عمود بر v) است.

نیروی شناوری:

شناوری کاملاً مربوط به فشار است.

آیا می دانید فشار هوا در پاهای شما کمی بالاتر از سر شماست؟ درست است ، هرچه قدر شما بالاتر بروید ، فشار هوا کمتر خواهد بود. این بدان معنی است که هر جسم روی زمین (مگر اینکه در خلاء مصنوعی قرار داشته باشد) با فشار پایین به بالا هل داده می شود. چقدر به شما هل داده می شود؟ بستگی دارد. هرچه قد شما بلندتر باشد ، اختلاف فشار بزرگتر است. و هرچه وسیع تر باشید ، منطقه ای بیشتر برای فشار وجود دارد. این بدان معناست که هرچه یک شی بزرگتر باشد، نیروی بیشتری به سمت بالا اعمال می شود.  این معمولاً اهمیت چندانی ندارد، زیرا اشیاء بزرگتر سنگین تر نیز هستند. بیشتر چیزهای روی زمین بیش از اندازه کافی جرم دارند تا بتوانند آنها را در برابر نیروی بسیار اندکی که آنها را به سمت بالا سوق می دهد وزن کم کنند. تنها زمانی که این مورد صحیح نیست این است که اگر یک جسم بسیار بزرگ و بسیار سبک باشد. مثلاً بگویید یک بالون پر از هلیوم. از آنجا که هلیوم بسیار سبک است، می تواند حجم زیادی به شما بدهد در حالی که تقریباً هیچ وزنی اضافه نمی کند. اثر خالص این است که اختلاف فشار هوا یک شیء را به طور مداوم به سمت بالا سوق می دهد.

در یک سیالات سنگین تر، اثر برجسته تر است. در آب، برخلاف هوا، فشار با عمق به طرز چشمگیری تغییر می کند. می توانید اختلاف فشار را با شنا در کف استخر حس کنید. اختلاف فشار در چند متر قابل توجه است و یک جسم برای پایین رفتن باید نسبتاً سنگین باشد. هر چیزی که از هوا پر شود مستقیماً به سمت بالا رانده می شود.

می خواهید چیزی سنگین تر را امتحان کنید؟ جیوه حدود 18 برابر سنگین تر از آب است. این بدان معنی است که فشار چند فوت جیوه شما را مانند مورچه خرد می کند. آنقدر متراکم است که حتی تکه های آهن در آن شناور می شوند. سعی کنید دست خود را درون یک ظرف جیوه فروببرید. البته این کار را انجام ندهید چون جیوه بسیار سمی است. اما اگر این کار را کردید ، فشار آن را موقعی که به عقب برگردید احساس می کنید.

حال، چرا شناور شدن با مواد جامد کار نمی کند؟ در درجه اول به دلیل اینکه مواد جامد جریان ندارند. جامدات شکل خود را حفظ می کنند، بنابراین نمی توانند فشار بسیار مؤثری داشته باشند. حتی چیزی مانند خاک و یا شن و ماسه ای که می تواند جریان داشته باشد، و می تواند فشار وارد کند، نمی توانند  اندازه کافی نیرو را منتقل کنند تا شما را به بالا هل بدهن. از طرف دیگر، مایعات این کار را بسیار مؤثر انجام می‌دهند. هر چیزی که بتواند جریان داشته باشد می تواند فشار وارد کند و هر چیزی که می تواند فشار وارد کند شما می توانید داخل آن شناور شوید به شرط اینکه به اندازه کافی سبک باشید.

\(F_B=V_d×g\)

\(F_B=W_d\)

که \(F_B\) نیروی شناوری، \(V_d\) حجم آب جابجا شده، \(W_d\) جرم آب جابجا شده و \(g\) شتاب گرانش است.

بنابراین ، اگر وزن مایع جابجا شده از وزن جسم بیشتر باشد، جسم شناور می شود. اگر وزن مایع جابجا شده کمتر از وزن جسم باشد، جسم غرق می شود.

اینجا جایی است که دانسیته مطرح می شود. دانسیته نسبت جرم  به حجم اشیاء است.

\(D = {m \over V}\)

مثلاً یک بادکنک در نظر بگیرید. حجم یک بادکنک به طور قابل توجهی بیشتر از جرم آن است ، بنابراین چگالی آن بسیار کم خواهد بود. بنابراین وقتی سعی می کنید بادکنک را در آب فرو بریزید، در واقع سعی می کنید آب را با همان حجم از ظرف بیرون بریزید.

بنابراین یک راه آسان برای نگاه کردن به آن این است: نیروی شناوری رو به بالای یک بالون پر از هوا غوطه ور در آب تقریباً برابر با نیروی رو به پایین یک بادکنک پر از آب با همان حجم روی زمین است.

تفاوت نیروی درگ و نیروی شناوری

نیروی درگ

این نیرویی است که توسط پویایی سیال ایجاد شده و می تواند از آن تشکیل شود از:

• اختلاف فشار (مثال: فشار جلو در مقابل فشار عقب خودرو)
• اصطکاک سطح (مقاومت اصطکاک پوست – اثرات لایه مرزی)
• کشش ناشی از بالابردن(کشیدن همراه با تولید بلند کردن)

نیرو شناوری

این نیرو عمدتا توسط اثر گرانش ایجاد می شود.

• وقتی جسم در مایع غوطه ور می شود (مثال: بالون در آب)
• وقتی بین دو مدیا اختلاف چگالی وجود دارد (هلیوم در مقابل هوا)
• اختلاف دما (مایع داغ در مقابل مایع سرد)
• و غیره با اثر گرانشی …