තරල ගති විද්‍යාව
| සන්තති යාන්ත්‍ර විද්‍යාව |
|---|
 |
තරල ගති විද්‍යාව(fluid dynamics), තරල යාන්ත්‍රික විද්‍යාවේ(fluid mechanics) තරල ප්‍රවාහයන් සම්බන්ධයෙන් වූ උප විෂය ධාරාවේ එන තරල(ද්‍රව හා වායු )චලිතය හා සම්බන්ධ වෙයි. එහිද වායු ගතිවිද්‍යාව(වායු චලිතය පිළිබඳ අධ්‍යයනය) හා ද්‍රව ගති විද්‍යාව(ද්‍රව චලිතය පිළිබඳ අධ්‍යයනය) ද ඇතුළත්ව තවත් විවිධ උප විෂයයන් පවතී. තරල ගති විද්‍යාවේ යෙදීම්වලට ගුවන් යානාමත ක්‍රියාකරන බලයන් හා ඝූර්ණයන් ගණනය කිරීම, නළ හරහා පෙට්‍රෝලියම් හි ස්කන්ධය ගලායාමේ ශීඝ්‍රතාවය නිර්ණය කිරීම, කාලගුණ රටා පිළිබඳ අනාවැකි පළ කිරීම, තාරකා අතර පවත්නා අවකාශයේ(interstellar space) පිහිටන කුඩා වලාකුළු(nebulae) පිළිබඳව අධ්‍යයනය හා විඛණ්ඩන අවි පිපිරවීම ආදර්ශනය කිරීම ඇතුලු ඉතා පුළුල් පරාසයක යෙදීම් ඇතුළත් වේ. මෙහි අඩංගු මූලධර්මයන් රථවාහන ඉංජිනේරු විද්‍යාවේ(traffic engineering) ද භාවිතා වන අතර මෙහිදී, ගමන් කරන රථවාහන සන්තතික තරලයක් ලෙස සැළකේ. තරල ගතිවිද්‍යාව, මෙවැනි ප්‍රායෝගික විෂය ක්ෂේත්‍රයන්ට ආධාර වන ලෙස හා ප්‍රායෝගික ගැටළු විසඳීමේ දී ප්‍රවාහයන් මැනීමෙන් උකහා ගන්නා ලද ආනුභවික හා අර්ධ ආනුභවික නීති සඳහා වන ක්‍රමවත් ව්‍යුහයක් ඉදිරිපත් කරයි. තරල ගතිවිද්‍යාවේ ගැටලුවලට විසඳුම් සෙවීමේ දී බොහෝ විට තරලයෙහි ප්රවේගය, පීඩනය, ඝනත්වය හා උෂ්ණත්වය වැනි ගුණයන් අවකාශය හා කාලයෙහි ශ්‍රිතයක් ලෙස ගණනය කිරීමද ඇතුළත් වේ.
සාමන්‍ය වායුගති විද්‍යාත්මක කඳුළු බින්දුවක හැඩයෙහි පවතින, පීඩන ව්‍යාප්තිය කළු පැහැති ඉරෙහි ඝනකම මගින් සහ සීමාස්තරයෙහි ප්රවේගය දම් පැහැ ත්‍රිකෝණ වලින් ද දැක්වේ. ආකූල ප්‍රවාහයක් ඉක්මනින් සෑදීමට කොල පැහැති සළා උත්පාදක උපකාරී වන අතර එමගින් ආපසු ගලා යාමද වලකයි. ඉහළ පීඩන කලාපයෙන් ප්‍රවාහය වෙන්කිරීම ලෙසද මෙය හැඳින් වේ. ඉදිරියෙන් ඇති පෘෂ්ඨය මත ආකූල ප්‍රවාහයන් ඇති වීම මගින් ප්‍රවාහයේ ශක්ති හානියක් සිදුවන බැවින් එය ඉතා සුමට වන අතර මෝරෙකුගේ වැනි හමක්ද ඇතැම් විට භාවිතා වේ. Kammback මඟින් පිටුපස ඇති ඉහළ පීඩන කලාපයේ සිට ස්පොයිලර්ස් (spoilers) හරහා අභිසාරී කොටසට ප්‍රවාහය ආපසු ගලා ඒම වළක්වාලයි. විවිධ ද්‍රව්‍ය ඇතුලත සිට පිටතට යාමේදී බටයක් නිර්මාණය වන අතර අභිසාරී කොටසේ දී ප්‍රවාහ වෙන්වීම හෙවත් විසරකය නිර්මාණය වීම වැනි ගැටළු වලටද මුහුණ පෑමට සිදුවේ. මෙම හැඩය කොටස් දෙකකට කපා වෙන් කිරීම මගින් ඉහළින් අඩු පීඩන කලාපයක් නිර්මාණය වී මෙන් ඉහළට(බලයක් ඇතිවීමෙන්) එසවීම සිදුවී වාපතක් නිමාණය වේ.
තරල ගති විද්‍යාව(fluid dynamics), තරල යාන්ත්‍රික විද්‍යාවේ(fluid mechanics) තරල ප්‍රවාහයන් සම්බන්ධයෙන් වූ උප විෂය ධාරාව වේ:තරල(ද්‍රව හා වායු )චලිතය හා සම්බන්ධ. එහිද වායු ගතිවිද්‍යාව(වායු චලිතය පිලිබඳ අධ්‍යයනය) හා ද්‍රව ගති විද්‍යාව(ද්‍රව චලිතය පිලිබඳ අධ්‍යයනය) ද ඇතුලත්ව තවත් විවිධ උප විෂයයන් පවතී. තරල ගති විද්‍යාවේ යෙදීම් වලට ගුවන් යානා මත බලයන් හා ඝූර්ණයන් ගණනය කිරීම, නළ හරහා පෙට්‍රෝලියම් හි ස්කන්ධය ගලායාමේ සීඝ්‍රතාවය නිර්ණය කිරීම, කාලගුණ රටා පිළිබඳ අනාවැකි පල කිරීම, තාරකා අතර පවත්නා අවකාශයේ(interstellar space) ඇති කුඩා වලාකුළු(nebulae) අධ්‍යයනය හා විඛණ්ඩන අවි පිපිරවීම ආදර්ශනය කිරීම ඇතුළු ඉතා පුළුල් පරාසයක යෙදීම් ඇතුලත් වේ. මෙහි අඩංගු මූලධර්මයන් රථවාහන ඉංජිනේරු විද්‍යාවේ(traffic engineering) ද භාවිතා වන අතර මෙහිදී, ගමන් කරන රථවාහන සන්තතික තරලයක් ලෙස සැලකේ.
තරල ගතිවිද්‍යාව, මෙවැනි ප්‍රායෝගික විෂය ක්ෂේත්‍රයන්ට ආධාර වන ලෙස හා ප්‍රායෝගික ගැටළු විසඳීමේ දී ප්‍රවාහයන් මැනීමෙන් උකහා ගන්නා ලද ආනුභවික හා අර්ධ ආනුභවික නීති සඳහා වන ක්‍රමවත් ව්‍යුහයක් ඉදිරිපත් කරයි. තරල ගතිවිද්‍යාවේ ගැටළු වල විසඳුම් සෙවීමේ දී බොහෝ විට තරලයෙහි ප්රවේගය, පීඩනය, ඝනත්වය හා උෂ්ණත්වය වැනි ගුණයන් අවකාශය හා කාලයෙහි ශ්‍රිතයක් ලෙස ගණනය කිරීම ඇතුලත් වේ.
හැඳින්වීම
නියම වශයෙන් වායුගති විද්‍යාවේ කදු හැඩ කළු රේඛවේ ඝනකම මගින් පිඩනය ව්‍යාප්තිය පෙන්වනු ලැබේ. මායිම් ස්තරයේ ප්‍රයෝගය දම්පාට ත්‍රිකෝණ මගින් පෙන්වයි. කොළ පැහැ සලාවජනක ඇකුල ප්‍රවාහය සංක්‍රමණය කිරිමට රුකුල් දෙන අතර එය ආපසු ගැලිම බලගන්වනු ලබයි. මෙවට පසු පස ඇති ඉහල පිඩන ප්‍රදේශයේ ප්රවාහන වෙන්කිරිම ලෙසද හදුන්වනු ලැබේ. ඉදිරිපස මතුපිට ඉතාමත් මෘදු වන අතර මොරාගේ හම වැනිය. මෙහිදි ඇතිවන ඕනෑම කාලබිමක් මගින් වායු ප්‍රාණයේ ශක්තිය අඩු කරනු ලැබේ.
තරල ගතිකය තරල යන්ත්‍රණයේ උප තාක්ෂණයක් වන අතර එහිදි ගලායන තරල පිලිබද සාකඡ්චා කෙරේ. තරල ද්‍රව්‍ය සහ වායු චලනය වේ. එයට විවිධ උපක්ෂේත්‍ර ඇති අතර වායු ගති විද්‍යාව වායුන්ගේ චලනය පිලිබද හැදැරිම සහ (චලනය වන ද්‍රව පිලිබද හැදෑරිම ) තරල ගණිතයවට පුළුල් පරාසයක වු සෙදිම් ඇත. ඒවා ගුවන් යානයන් මත යොදන බලය ඝුර්ණය ගනනය කිරිමට පයිප්පයක් තුල ගලා යන ප්‍රොටෝලියම් ඉන්ධනයේ ස්කන්ධ ගැලිම් වේගය නිර්නය කිරිම, කාලගුණ රටා පිලිබද අනාවැකි පලකිරිම අන්තර් කාරිය අවශ්‍යයේ ඇති නිහාරිකාව අවබෝධකර ගැනිම සහ විලයන අවි ප්‍රස්චෝනයක ආකෘතියක් සිදුවේ. සමහර ඒවායේ මුල ධර්ම, රථ ගමනාගමනය ඉංජිනේරු විද්‍යාවේදී, වාහන තදබදයක ඇති රථ තරලයක් ලෙස සලකයි. මෙහිදී රථ වලට තරල ගතික ආකෘතියක් ආදේශ කරයි. එමගින් අනුගමික සහ අර්ථ අනුගාමික නිතියන් ලැබෙන අතර ඒවා ප්රවාහන මිනුම් මගින් ව්‍යුත්පන්න කරනු ලැබේ. මේවා ප්‍රායෝගික ගැටලු විසදුම් වලට අවාකාශය, කාලයේ ශ්‍රිතයන් වන තරල වල විවිධ ගුණ වන ප්රවේගය, පිඩනය, ඝනත්වය යන උෂ්ණත්වය සම්බන්ධ ගණනය කිරිමේ නියම විෂයන්ට අයත් වේ.
සමීකරණය
තරල ගති විද්‍යාවේ මුලික සිද්ධාන්ත සංස්තිථික නියමයන් වන විශේෂයෙන් ස්කන්ධ සංස්තිථි නියමය, රේඛිය ගම්‍යතා සංස්ථිති (මෙය නිව්ටන්ගේ චලිතය පිළිබද දෙවන නියමය ලෙස ද හැදින්වේ) සහ ශක්ති සංස්ථිති නියමය (තාප ගති විද්‍යාවේ පළමු නියමය) යනාදිය වේ. මේවා සම්භාව්‍ය යාන්ත‍්‍රණය සහ කොන්ටම් යාන්ත‍්‍රණය සහ සාමාන්‍ය සාපේක්ෂතාවය මත පදනම් වී ඇත. මේවා රෙනෙල්ඞ් ප්රවාහන ප‍්‍රමේයය භාවිතයෙන් ඉදිරිපත් කර ඇත.
ඉහත සදහන් දේවල් වලට අමතරව තරල සන්තතික යැයි උපකල්පනය කරනු ලැබේ. තරලවල අඩංගු අණු එකිනෙක සමග ගැටෙන අතර ඝන අංශූ සමඟ ද ගැටේ. කෙසේ නමුත් සන්තතික බව යන උපකල්පනය අනුව තරල විවික්ත ස්වභාවයට වඩා සන්තත ස්වරූපයක් ගනි. එහි ප‍්‍රතිඵලයක් වශයෙන් ගනත්වය, පීඩනය, උෂ්ණත්වය යන ප්රවේගය ඉතා කුඩා වු ස්ථානවලෙ හාදින් අර්ථ දක්වා ඇති අතර, ඒවා එක් ලක්ෂයක සිට අනිකට යාමේ දී සන්තතික ලෙස වෙනස් වේ. එම හේතුව නිසා තරල විවක්ත අනුවලින් සැදි ඇතැයි යන්න නොසලකා හරිනු ලැබේ.
ප‍්‍රමාණවත් ලෙස සන්තතික කල හැකි තරල වල අයනිකෘත වර්ග අඩංගු නොවන අතර ආලෝකය වේගයට සාපේක්ෂව අඩු ප‍්‍රවේග ඇත. නිවුටෝනයක් තරල සදහා වන ගම්‍යතා සමිකරණය කේවියර් ස්ටෝක්ස් සමිකරණය ලෙස හැඳින්වේ. මෙය රේඛිය නොවන අවතල සමිකරණ සමුහයකින් යුක්ත වන අතර එමගින් තරලයක ආතතිය ප්රවේගය අනුගමනය සහ පිඩනය මත රදා පවතින තරලයක ගලායැම විස්තර කරයි. සුළු කල නොහැකි සමිකරණ වලට පොදු සංවෘත ආකාරයේ විසදුම් නොමැත. එම නිසා ඒවා ගණනය කරන තරල ගති විද්‍යාවේ හෝ ඒවා සුදු කල හැකි විම ද පමණක් භාවිතා කරනු ලබයි. මෙම සමිකරණය විසදිම පහසු කරන ආකාරයට සුළු කිරිම් ආකාරයට සිදු කල හැක. සුදුසු තරල ගතික ගැටලූ කිහිපයක් සංවෘත ආකාරයෙන් විසදිය හැක.
ස්කන්ධ, ගම්‍යතාවය යන ශක්ති සංස්තතික සමිකරණ වලට අමතර අවස්ථාවේ තාප ගතික සමිකරණය මගින් පිඩනය අනිකුත් තාපගති විචලන වල ශ‍්‍රීතයක් ලෙස සලකා තරලයට අදාලව ගැටලූව පැහැදිලි කරනු ලැබේ. උදාහරණයක් ලෙස පරිපුර්ණ වායු සදහා අවස්ථා සමිකරණය
මෙහි p යනු පීඩනය, ρ යනු ඝණත්වය, Ru යනු වායු නියතය, M යනු මවුලික ස්කන්ධය සහ T යනු උෂ්ණත්වය වෙයි.
තරල ගතිකය පිළිබද නාමාවලිය
පිඩනය යන සංකල්පය තරල ස්ෂිත්කිය සහ තරල ගතිකය යන අධ්‍යයන් දෙකටම කේන්ද්‍රිය වේ. තරලය චලනය විම හෝ නොවිම සැලකිල්ලට නොගෙන තරලයක සෑම අංශුවක පීඩනය හදුනාගත හැක. පීඩනය වායුගෝලිය පිඩන මානය, බෝර්ඩොන් තලය, රසදිය කුළුන හෝ අනිකුත් විවිධ ක්‍රම මගින් මැනිය හැක තරල ගතිකය අධ්‍යයනය කිරිමට අවශ්‍ය සමහර නාමාවලි අනිකුත් සමහර ප්‍රදේශ අධ්‍යනයේදි හමු නොවේ. විශේෂිත වශයෙන් තරල ගනිකයෙහි භාවිතා වන නාමාවලින් තරල ස්ථිකයෙ භාවිතයට ගනු නොලැබේ.
සම්පීඩනය නොවන තරල ගනයේ නාමාවලිය මුලු පිඩනය (නිෂ්චලන පිඩනය ලෙසද හදුන්වයි) ගතික පීඩනය යන සංකල්පය බර්නුලි සමීකරනය මගින් ඇති වු අතර ඒවා සියලු තරල වල ගලායාම සදහා වැදගත් වේ. (මෙම පිඩන දෙකම සාමන්‍ය ආකාරය වේ. මේවා වායුගෝලීය පිඩන මානය බෝර්ඩෝන් තලය හො රසදිය කුළුන) මගින් මැනිය නොහැක. විභවය තුල නාවෙන් මිදීම සදහා තරල ගතිකයේදි බොහෝ කෘතිය ස්ථිතික පිඩනය ලෙස හදුන්වන ලදි. මෙගින් ස්ථිතික පිඩනය අනිකුත් මුලු පිඩනය සහ ගතික පිඩනය වෙන් කර හදුනාගත හැක. ස්ථිතික පීඩනය ආවේණික වන අතර එය තරල ලෙස ගලන කේෂ්ත්‍රයේ සැම ස්ථානයකදිම හදුනා ගත හැක. වායු ගති විද්‍යවදි එල්.ජේ ක්ලැසික් පහත අදහස් ලිය තබා ගෙන ඇත. මුලු හා ගතික පිඩනය වෙන්කර හදුනා ගනිමේදි තරලයක නියම පිඩනය එහි චලනය සමග සම්බන්ධ නොවන අතර එහි අවස්ථාව මත දෙපාර්ණික ප්රවේගය ලෙස හදුන්වන නිවුන් පිඩ්නය යන වචන වෙනම පාවිච්චි කරයි. නම් එය ස්ථිතික පිඩනය වේ.
තරලයක් ගලයාමේදී නිදහස් වන ස්ථානය යම් වස්තුවක් තරලය ගමන් කරන මාර්ගයේ ගිල්වු විට එය ආසන්නයේ වේගය ශුන්‍ය වේ. විශේෂ වැදගත්කමක් ගත් එම වැදගත ස්ථානය සදහා විශේෂ වු වහන ඇත එය අනාකූල පිඩනය ලෙස හදුන්වයි.
සම්පිඩය තරල ගතියේ නාමාවලිය වායු වැනි සම්පිඩන අවස්ථාව නිර්නය කිරිමේදි උෂ්නත්වය සහ ඝනත්වටය අත්‍යාවශ්‍ය වේ. මුලු පිඩනය (අනාකුල පිඩනය) සංකල්පයට අමතරව සම්පිඩන තරලයක ගැලිම් පිළිබද අධ්‍යනයේදි මුලු උෂ්නත්වය සහ මුලු පිඩිනය පිලිබද සංකල්පය අත්‍යාවශ්‍ය වේ. විභව අර්ථ විය්‍යාකුලත්වය මග හැරිම සදහා උෂණ්තවය සහ ඝනත්වය සදහන් කිරිමේදි බොහෝ කතෘන් විසින් ස්ථිතික උෂණත්වය සහ ස්ථිතික ඝණත්වය යන පද භාවිතා කරයි. ස්ථිතික උෂ්නත්වය උෂ්නත්වයට් ආවේනික වන අතර ස්ථිතික ඝනත්වය ඝනත්වයට ආවේනික වේ. මෙම වර්ග දෙක තරල ප්‍රධාන ක්ෂේත්‍රයට සැම ලක්ෂයකදිම හදුනා ගත හැක. අනාකුල ලක්ෂයකදි උෂ්නතවය සහ ඝනත්වය අනාකුල උෂ්ණත්වය සහ අනාකුල ඝනත්වය ලෙස හදුන්වයි.
කියන්නන් ගතික උෂ්ණතවය හෝ ගතික ඝනත්වය වැනි සංකල්පය අතැයි සිතිය හැක. නමුත් ඒවා එසේ නොවේ.
මෙවැනිම ප්‍රවේශයක් සම්පිඩනය තරල වල තාපගතික ලක්ෂණ සදහා යොදාගත හැක. බොහෝ තීරකවරුන් මුලු (හෝ අනුකුල) එන්තැල්පි හ මුලු (හෝ අනාකුල) එනට්‍රොපිය යන පද බහුලව භාවිතා නොවේ. නමුත් ඒවා භවිතා වන අවස්ථාවන්හිදි එන්තැල්පි සහ එන්ට්‍රෝපිය යන තේරුම ගම්‍ය වේ. මෙහිදි ස්ථික යන උපසර්ගය මුලු හෝ අනාකුල යන අර්ථ, වල ව්‍යකුලතාවය මග හැරිම සදහා යොදා ගනු ලැබේ.