ΥΔΡΟΣΤΑΤΙΚΗ ΡΕΥΣΤΑ ΤΟ ΝΕΡΟ

Transcript

1 ΥΔΡΟΣΤΑΤΙΚΗ είναι ο επιστημονικός κλάδος γνώσεων της μηχανικής των ρευστών, που εξετάζει τα ρευστά που βρίσκονται σε στατική ισορροπία η μεταφέρονται μετατίθενται κινούμενα ως συμπαγή σώματα, χωρίς λόγου χάρη ταχύτητα ενός στρώματος ρευστού ως προς τα πλησιέστερα του, γειτονικά του, διασυνδεόμενά του. Επομένως δεν υπάρχουν διατμηματικές οριζόντιες παράλληλες- τάσεις, παρά μόνο κάθετες, ένεκα δυνάμεων που ενεργούν κάθετα επί των επιφανειών που έρχονται σε επαφή με το ρευστό. ΡΕΥΣΤΑ είναι η φυσικές ύλες ή οι ουσίες που ρέουν όταν υπόκεινται (υποβάλλονται) σε δυνάμεις διάτμησης. Ρευστά είναι το νερό, ο αέρας κ.ά. και τα οποία ασκούν δυνάμεις στο ανθρώπινο σώμα κατά την ακινησία ή την κίνησή του. Η θερμοκρασία, η ατμοσφαιρική πίεση επηρεάζουν την πυκνότητα, το ειδικό βάρος και την τριβή του ρευστού. Τα ρευστά δημιουργούν ροή. Η ροή μπορεί να είναι: 1) Ομαλή ή Κανονική 2) Στροβιλώδης ή Τυρβώδης. Η ομαλή ροή χαρακτηρίζεται κανονικά- περίπου ευθύγραμμα, παράλληλα στρώματα ρευστού. Η στροβιλώδης χαρακτηρίζεται από μίξη παρακείμενων στρωμάτων του υγρού. ΤΟ ΝΕΡΟ και ο αέρας, ρευστά στο φυσικό περιβάλλον, ασκούν δυνάμεις στα σώματα που εισέρχονται κινούνται ή ισορροπούν μέσα σ αυτά. Μερικές από αυτές τις δυνάμεις μειώνουν (επιβραδύνουν) την πορεία κάθε σώματος, ενώ άλλες διευκολύνουν ή υποστηρίζουν και παρέχουν προώθηση. Σημαντικός παράγοντας της μελέτης της ανθρώπινης κίνησης στο νερό είναι η κατανόηση της επίδρασης των δυνάμεων του νερού στις κινητικές φυσικές δραστηριότητες του ανθρώπου, μέσα στο περιβάλλον τους. Οι δράσεις των δυνάμεων του νερού στην ανθρώπινη κίνηση την κατεύθυνση και τη διεύθυνση αυτών, τόσο στην ανυψωτική όσο και στην οριζόντια προωθητική κατεύθυνση του σώματος, εφαρμόζονται με όλες τις εξαρτώμενες παραμέτρους για αποτελεσματικότερη εφαρμογή και απόδοση στον βλητικό τους χώρο.

2 ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΡΕΥΣΤΩΝ 1. Πυκνότητα, P = m/v, κλάσμα, (m = μάζα, v = όγκος) 2. Ειδικό βάρος, ε = Kg/v, κλάσμα, (Kg = Bάρος, v = όγκος) 3. Πίεση, Ρ = F/S, κλάσμα, ( F = δύναμη, S = επιφάνεια) 4. Επιφανειακή Τάση 5. Ιξώδες ή δυναμική συνεκτικότητα του ρευστού 6. Συμπιεστότητα ρευστού. ΑΝΩΣΗ είναι η συνισταμένη δύναμη του νερού που ασκείται πάντα προς τα άνω κατακόρυφα. Οι παράγοντες που οριοθετούν το μέγεθος της δύναμης άνωσης καθορίστηκαν αρχικά από τον Έλληνα μαθηματικό Αρχιμήδη. Η Θεωρία αυτή η οποία διατυπώθηκε από τον Αρχιμήδη με το γνωστό ΕΥΡΗΚΑ, ως η αρχή του Αρχιμήδη αναφέρει ότι η δύναμη άνωσης που ασκείται σε ένα που βυθίζεται στο νερό ισούται με το βάρος του νερού που εκτοπίζεται από το σώμα αυτό. Επίσης μια άλλη διατύπωση είναι: ότι κάθε σώμα που βυθίζεται στο νερό χάνει τόσο βάρος όσο είναι το βάρος του εκτοπιζόμενου νερού. Η Άνωση υπολογίζεται με τον πολλαπλασιασμό του ειδικού βάρους του νερού (9790 Ν/m 3, σε Θερμοκρασία νερού 20 β. C) επί του όγκου του τμήματος του σώματος που περιβάλλεται από το νερό. Επομένως η Άνωση (Α) τελικά υπολογίζεται ως το γινόμενο του ειδικού βάρους του νερού (ε) επί τον εκτοπιζόμενο όγκο (Vε), δηλαδή: Α = ε. Vε ή Α = Vε. ε ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ: Η Άνωση, σε μία μπάλα υδατοσφαίρισης με όγκο 0,25 m3, βυθισμένη πλήρως στο νερό θερμοκρασίας 20 β. C, και ειδικό βάρος του νερού 9790 Ν/m3, είναι : Α = Vε. ε Α = 0,25 m N/m3

3 A = 2447,5 N Όσο πυκνότερο είναι ένα ρευστό τόσο περισσότερο αυξάνεται το μέγεθος της δύναμης άνωσης. Το πυκνότερο νερό επιφέρει αύξηση της άνωσης. Επομένως αφού το θαλασσινό (αλμυρό) νερό είναι πυκνότερο από το γλυκό (χωρίς αλάτι) η άνωση του ανθρωπίνου σώματος είναι μεγαλύτερη από ότι στο γλυκό. Η δύναμη άνωσης συνδέεται άμεσα με τον όγκο του βυθισμένου σώματος στο νερό και το κομβικό σημείο που δρα η δύναμη άνωσης είναι το κέντρο όγκου του σώματος (περιοχή πνευμόνων) ή κέντρο άνωσης. Το κέντρο όγκου ή άνωσης είναι η σύγκλιση συνιστωσών δυνάμεων που είναι κατανεμημένες σε όλες τις κατευθύνσεις διευθύνσεις προς ένα κρίσιμο σημείο, περιοχή των πνευμόνων, που είναι η συνισταμένη δύναμη ανύψωσης του σώματος, ( όγκος του σώματος ίσα κατανεμημένος στο σημείο που δρα η δύναμη άνωσης). Το κέντρο άνωσης του σώματος έχει άμεση σχέση με την ισορροπία του σώματος στο νερό και την επίπλευση. ΕΠΙΠΛΕΥΣΗ - ΠΛΕΥΣΤΟΤΗΤΑ είναι η δυναμική που αναπτύσσει να επιπλέει ισορροπεί στέκεται, το ανθρώπινο σώμα, στην επιφάνεια του νερού. Η επίπλευση είναι σχέση μεταξύ του βάρους του σώματος και της άνωσης. Το βάρος και η άνωση ως αλληλοεπιδρώμενες δυνάμεις στο σώμα όταν είναι ίσες αυτό επιπλέει ακίνητο ισορροπεί - με βάση τους κανόνες στατικής ισορροπίας. Επομένως για να επιπλεύσει το ανθρώπινο σώμα η δύναμη άνωσης που προκαλείται από το ίδιο το βάρος και το νερό πρέπει να είναι ίση ή μεγαλύτερη του σωματικού βάρους. Η βύθιση προκαλείται όταν το βάρος του σώματος (συνισταμένη δύναμη) είναι μεγαλύτερο από την άνωση. Η επίπλευση και η ισορροπία του ανθρωπίνου σώματος στο νερό είναι σε συνάρτηση και εξάρτηση με την πυκνότητα του. Η πυκνότητα της στερεάς και υγρής μάζας του σώματος, άλιπη

4 μάζα (οστά, μύες, υγρά) είναι πολύ μεγαλύτερη από τη στερεά λιπώδη μάζα του. Για να επιπλεύσει το σώμα πρέπει το βάρος να ελαττωθεί και όχι μόνο αλλά ο όγκος όμως του σώματος να μεγαλώσει σημαντικά για να δημιουργηθεί πολύ μεγαλύτερη δύναμη άνωσης ή ίση για την επίπλευση ( παράδειγμα 2). Τα περισσότερα άτομα επιπλέουν καλύτερα λόγου χάρη, όταν εισπνέουν μεγαλύτερη ποσότητα αέρα και έχουν μεγαλύτερο όγκο στους πνεύμονες, συνθήκη που αυξάνει το σωματικό όγκο χωρίς ουσιαστικά να δημιουργείται αλλαγή στο σωματικό βάρος. Το ανθρώπινο σώμα προσανατολιζόμενο σε ισορροπία στο νερό κατευθύνεται προς την συνθήκη αυτή, μέσα από διαφορετικές μετακινούμενες σχετικές θέσεις του σώματος στο νερό, ειδικότερα του Κέντρου Βάρους (ΚΒ) και του Κέντρου Άνωσης (ΚΑ). Οι σωματομορφικές - σωματομετρικές - διαστάσεις και η σύνθεση μερών του σώματος ( Ανω άκρα, κορμός, Κάτω άκρα), έχουν καθοριστικό ρόλο. Μέχρι της ισορροπίας αυτών των αντίρροπων δυνάμεων το σώμα διακατέχεται από τάσεις περιστροφής και ασταθούς ισορροπίας στο νερό. Η σταθερή ισορροπία προκύπτει από την κατάλληλη επίδραση των δυνάμεων που αναπτύσσονται και εφαρμόζονται στα δύο κέντρα του σώματος (ΚΒ, ΚΑ) στον προσανατολισμό αυτών και την ευθύγραμμη διεύθυνση και πορεία των ασκούμενων δυνάμεων τους. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 2 Μπορεί ένα παιδί βάρους 23 κιλών και σωματικού όγκου 0,027 m3 να επιπλεύσει σε γλυκό νερό; Γνωρίζοντας το σωματικό όγκο μέχρι πόσο θα μπορούσε να ζυγίζει, ποιας τιμής, ποίου βάρους, ώστε να μπορέσει να επιπλεύσει; Ποια τιμή έχει η άνωση; Ποια τιμή έχει το βάρος; Ποια η τιμή του μέγιστου βάρους επίπλευσης; Μεγέθη ορισμένα: 1) m = 23 Kg, 2) V = 0,027 m3, 3) ε = 9815 Ν/m3 2) Β = Βάρος παιδιού σε Kg επί την επιτάχυνση βαρύτητας 9,81 m/s2

5 ΛΥΣΗ Για να επιπλεύσει το παιδί και να δημιουργηθούν συνθήκες ισορροπίας στο νερό πρέπει το άθροισμα των κατακόρυφων δυνάμεων το λιγότερο να ισούται με 0. Η ΑΝΩΣΗ 1. Α = Vε. ε Α = 0,027 m N/m3 A = 265,005 N ΤΟ ΒΑΡΟΣ 2. To σωματικό βάρος του παιδιού ισούται με τη σωματική μάζα του πολλαπλασιαζόμενη με την επιτάχυνση της βαρύτητας: Β = 23 Kg. 9,81 m/s2 B = 225, 63 N Η δύναμη άνωσης είναι πολύ μεγαλύτερη από το σωματικό βάρος. Το παιδί επιπλέει σε μια πολύ εύκολη μερικώς βυθισμένη θέση. ΑΠΑΝΤΗΣΗ: ΝΑΙ ΕΠΙΠΛΕΕΙ ΤΟ ΠΑΙΔΙ Ο υπολογισμός του μέγιστου βάρους του σώματος του παιδιού δίνεται από το σωματικό όγκο του παιδιού που μπορεί να υποστηρίξει στο νερό, επί το ειδικό βάρος του νερού: Βμέγιστο = 0,027 m Ν/m3 Bμέγιστο = 265,005 Ν ΑΠΑΝΤΗΣΗ: Το μέγιστο Βάρος είναι όσο και η άνωση δηλαδή 265,005 Ν.