تفاوت سیالات با جامدات در مهندسی مکانیک

تفاوت سیالات با جامدات در مهندسی مکانیک در چیست ؟ در ابتدا آنچه لازم است تا مورد تاکید قرار گیرد حوزه نظری است که در آن می‌خواهیم به مبحث اختلاف تعریف جامد و سیال بپردازیم. به طور مثال از دیدگاه رفتار مولکولی ماده و آنچه که به صورت عام در جامعه به عنوان سیال یا جامد تعریف می‌شود.

تفاوت سیالات با جامدات

جامد به جسمی گفته می‌شود که در آن، پیوستگی بین مولکولی در مقایسه با مایع و گاز (سیال) قوی‌تر بوده و حرکت‌های نوسانی مولکول‌ها در کنار هم تنها به صورت لغزش‌های کوچکی باشند که در نتیجه این خاصیت، در شرایط ثابت دما و فشار و در زمان اندکی تغییرشکل نمی‌دهند و به شکل محیط اطراف (ظرف) در نمی‌آیند.

برخلاف جامدات، در سیالات به علت پیوستگی کمتر بین ذرات مولکولی‌شان این شکل‌پذیری نسبت به ظرفی که در آن قرار می‌گیرند، به صورت آنی در دما و فشار ثابت روی می‌دهد. در اینجا می‌خواهیم به بحث راجع به تعریف سیال و جامد از نگاه علم مکانیک بپردازیم. در علم مکانیک که علم حرکت، تحریک و تحرک و عوامل آنها است، اینکه محیطی سیال یا جامد است وابسته به پاسخی است که محیط مورد نظر ما به عامل خارجی تحریک که معمولاً از جنس نیرو و یا به عبارت علمی‌تر تنش می‌باشد نشان می‌دهد.

چنانچه تنش برشی ارتباط مستقیم با کرنش داشته باشد و تغییر شکل محدودی در جسم (محیط مادی) روی دهد به گونه‌ای که بعد از حذف عامل تحریک (تنش برشی) جسم بتواند به حالت قبلی باز گردد محیط ما یک محیط کاملاً جامد (جامد الاستیک ایده آل) خوانده می‌شود (با معادلات حاکم بررفتار الاستیک یعنی اما اگر تغییر شکل در ماده در اثر اعمال تنش برشی علاوه بر کرنش با نرخ کرنش هم ارتباط داشته باشد بنابراین ماده یا محیط مادی ما رفتاری الاستوپلاستیک دارد در این حالت با اینکه ممکن است قسمتی از تغییر شکل اولیه با حذف عامل خارجی تحریک (تنش برشی ) جبران شود لیکن قسمتی از تغییر شکل اولیه در محیط تحت تأثیر تنش برشی به صورت تغییر معادلات الاستوپلاستیک بر آن حاکم می باشد ( یعنی ).

حال اگر تغییر شکل نامحدود در طی اعمال تنش برشی در جسم ملاحظه شود و تنش برشی با نرخ کرنش متناسب باشد، محیط مادی یا جسم مورد نظر را سیال نیوتنی می‌نامیم و در این حالت رفتار پلاستیک یا سیال در محیط مورد نظر حاکم می باشد. ( یعنی ). پس همانطور که ملاحظه می‌شود بسته به اینکه محیط مورد مطالعه نسبت به تنش اعمال شده چه رفتاری از خود نشان می‌دهد ممکن است ماده سیال، جامد یا حالتی بینابین داشته باشد. دیدگاه دیگری که در پاسخ محیط ماده به عامل تحریک خارجی در حوزه مکانیک مورد مطالعه قرار می‌گیرد پاسخ محیط مورد مطالعه به تنش نرمال یا عمودی است که بحث‌های تراکم‌پذیری و تراکم ناپذیری و Bulk Module of Elastisity را به دنبال دارد.

جمع‌بندی

آنچه به عنوان سیال ،جامد یا رفتار بین این دو حالت در جسم یا محیطی ، در مکانیک خوانده می‌شود، دقیقاً به عواملی چون میزان و اندازه تحریک عامل خارجی نیرو و یا تنش برشی ، تغییر شکل و مدت زمان لازم برای تغییر شکل و مشتقات زمانی این تغییر شکل بستگی دارد .به عنوان مثال مقداری گریس که به پشت سکه سبکی مالیده شده است در چسبیدن سکه به دیوار مانند یک جسم جامد (ماده جامد) رفتار می‌کند اما با افزایش وزن سکه ملاحظه می‌شود که سکه به تدریج روی دیوار حرکت می‌کند که در واقع گریس در این حالت رفتاری غیر از جامد و شبیه سیال دارد.

اگر دست خود را محکم و سریع به سطح آب بزنید اثری که در دست خود احساس می‌کنید با حالتی که دستتان را به آرامی به سطح آب می‌زنید تفاوت خواهد داشت. پس سیال و جامد از نظر ماهوی تفاوتی ندارند و آنچه که سبب تعریف جسمی به عنوان جامد و سیال می‌گردد ، به عواملی چون میزان و اندازه تحریک عامل خارجی نیرو و یا تنش برشی، تغییر شکل و مدت زمان لازم برای تغییر شکل و مشتقات زمانی این تغییر شکل بستگی دارد. به عبارت دیگر معادلات و روابط حاکم به طور کلی و اصولی برای محیط‌های مادی ثابت هستند، لیکن بسته به مقیاس‌هایی که ما براساس آنها به مطالعه خواص یا رفتار یک محیط یا ماده می‌پردازیم این روابط شکل‌های مختلفی به خود می‌گیرند.

مثلاً معادلات الاستیسیته یا معادلات ناویراستوکس که هر دو از معادلات بقای ممنتوم حاصل می‌شوند، یکی برای محیط جامد با رفتاری که در بالا شرح داده شد و دیگری برای محیط مادی سیال کاربرد دارد. در انتها لازم است اشاره شود که مثال‌های متنوعی از رفتار سیال گونه جسمی که به نظر جامد می‌آید و یا بالعکس در مهندسی وجود دارد به طور مثال می‌توان به رفتار هیدرودینامیکی دو سطح فولادی اشاره کرد که در اثر جوشکاری انفجاری به یکدیگر متصل می‌شوند.