قانون بقاي جرم و انرژي

[رزیتا]

قانون بقاي جرم و انرژي

شايد تا به حال براي شما هم اين پرسش پيش آمده باشد که چرا آبي که از شير پايين مي‌ريزد در جهت‌هاي پايين‌تر، باريک‌تر مي‌شود؟ جواب اين پرسش اين است به دليل قوانين بقاي جرم و انرژي.‏

براي اين که جواب اين پرسش براي شما روشن‌تر شود ابتدا بايد به اين نکته اشاره کرد که شما اين طور تصور کنيد که جريان پيوسته و پايدار آب در يک لوله يکنواخت است. اگر هيچ کدام از پارامترهاي حرکت تغيير نکند، آب با سرعت ثابت در لوله حرکت خواهد کرد. مقدار آبي که در هر لحظه از يک نقطه لوله مي‌گذرد به 2 عامل وابسته است. قطر لوله و سرعت آب و رابطه اين دو نيز با آهنگ گذر آب بديهي است. هر چه قطر لوله يا سرعت آب بيشتر باشد در هر لحظه آب بيشتري از لوله خواهد گذشت به طور ساده مي‌توان گفت حجم آب عبوري با حاصل ضرب اين دو متغير نسبت مستقيم دارد. يعني سرعت جريان ضرب در قطر جريان ضرب در مقدار آب.‏

حالا فرض کنيد اين لوله در نقطه‌اي به يک لوله باريک‌تر متصل شود در اين حالت چه اتفاقي خواهد افتاد؟ بر اساس قانون بقاي جرم، همان مقدار آبي که قبلاً در لوله قطور جريان داشت از اين به بعد بايد از يک لوله باريک بگذرد زيرا هيچ مسير فرعي براي خروج آب وجود ندارد و جرم نيز کم يا زياد نمي‌شود. تنها راه ممکن براي انجام اين کار، اين است که سرعت جريان آب آن قدر زياد شود تا کاهش قطر لوله را جبران کند. اين همان کاري است که شما براي افزايش سرعت آب خروجي از يک شيلنگ انجام مي‌دهيد. وقتي قسمتي از دهانه شيلنگ را با انگشت مسدود مي‌کنيد، سطح مقطع جريان کاهش پيدا مي‌يابد، بنابراين سرعت آب زياد مي‌شود.‏

البته هيچ ربطي به فشار هيدرواستاتيکي آب ندارد و چيزي که در اصطلاح عاميانه به آن فشار آب گفته مي‌شود، در واقع همان انرژي جنبشي ناشي از سرعت آب است.‏

به اين‌ترتيب مي‌بينيد که بين سطح مقطع جريان يک رابطه الاکلنگي برقرار است. يعني کاهش يکي باعث افزايش ديگري مي‌شود.(طوري‌که حاصل‌ضرب آنها ثابت بماند). حالا باز مي‌گرديم به پرسش اصلي، آبي که از شير مي‌ريزد لوله را با سرعت معيني ‌ترک کرده و تحت اثر جاذبه زمين، سقوط آزاد مي‌کند. در اين سقوط به خاطر قانون بقاي انرژي سرعت هر يک از ذرات آب موجود در جريان، رفته‌رفته افزايش پيدا مي‌کند و اين همانند سرعت يک سنگ در حال سقوط است. اما با توجه به آن چه گفته شد، زياد شدن سرعت بايد با کاهش سطح مقطع يا قطر جريان جبران شود. بنابراين شما مي‌بينيد که جريان آب در حال سقوط باريک‌تر مي‌شود البته هيچ لزومي ندارد که اين اتفاق يعني کاهش سطح مقطع جريان، به طور پيوسته روي دهد.‏

شايد شما ديده باشيد که در بعضي شرايط همانند وقتي که شير آب تا آخر باز است يا سر لوله شکل خاصي دارد، جريان آب به چندين شاخه آشوب ناک و ناپايدار تقسيم مي‌شود. اما در شرايط پايدار که پيوستگي و کشش سطحي مولکول‌هاي آب بر ساير نيروها غلبه دارد، جريان آب به طور يکنواخت و پيوسته باريک مي‌شود. در هر صورت مي‌بينيد که مولکول‌هاي آب هم به قوانين بقا احترام مي‌گذارند. ‏