SUYUQLIKLAR VA GAZLAR MEXANIKASI
Ma’ruza rejasi:
Suyuqliklar va gazlar mexanikasi. Suyuqlik va gazlarda bosim. Paskal qonuni.
Arximed qonuni. Bernulli tenglamasi.Torrichelli tenglamasi. Suyuqlikning
uzluksizlik tenglamasi.
Suyuqlik molekulalari muvozanat holat atrofida tebranma harakat qilish bilan
birga bir muvozanat holatdan ikkinchi muvozanat holatga O‘tib ham turadi. Muzlash
temperaturalariga yaqinroq temperaturalarda ular kO‘proq qattiq jism xossalariga
yaqinroq xossalarga ega bo‘lsa, qaynash temperaturlarga yaqin temperaturalarda
gazlarga yaqin xossalarni nomoyon qiladi. Ular O‘z hajmlarini saqlasalar ham
shakllarini saqlay olmaydilar.
Gaz molekulalari qattiq materiallardan yasalgan mayda sharchalarga O‘xshab,
bir-biri bilan to‘qnashib tartibsiz xaotik harakat qiladi va hamma tomonga uchib
ketishga intiladi. Shuning uchun ham gaz O‘ziga qO‘yib berilgan hajmni bir tekis
to‘ldiradi. Ya’ni hajmga ham, shaklga ham ega emas. Gaz holatdagi jismlar odatda
yoki suyuqlik sirti bilan, yoki qattiq jism sirt bilan chegaralanib turadi, lekin ular
aniq bir chegaraviy sirtga ega bo‘lmasliklari ham mumkin. Masalan, Er
atmosferasining yuqori qatlamlarida qattiq, suyuq va gaz holatdagi jismlar mexanika
kursida etarlicha aniqlikda yaxlit va uzluksiz jismlar deb qaraladi. Berilgan tashqi
sharoitda qattiq jism O‘ziga xos shakl va hajmga, suyuqlik tayinli bir hajmga ega
deb qaralsa, gaz tayinli hajmga ham, shaklga ham ega emas deb faraz qilinadi.
Biror berk idishga solingan gaz yoki suyuqlikni olib qaraylik. Shunday idish
sifatida porshenli silindr olaylik va u suyuqlik yoki gaz bilan to‘ldirilsin.
Agar porshenga biror F kuch bilan ta’sir qilsak, u holda
suyuqlik yoki gaz porshenga shu kuchga teng va qarama-qarshi
yO‘nalgan F’ kuch bilan ta’sir qiladi. Suyuqlikning bevosita tegib
turgan biror hajmning muvozanat shartidan bu hajmga
suyuqlikning qolgan qismi tomonidan kuchlar ta’sir qilishini
aniqlash mumkin. Boshqacha aytganda suyuqliklarda xuddi qattiq
jismdagi kabi ichki kuch va zO‘riqishlar paydo bo‘ladi. Bunday zO‘riqishlar qattiq
jismlardagi kabi urinma tashkil etuvchilarga ega bo‘lmaydi,
ya’ni suyuqlik va gazlardagi kuchlanishlar bosim deb ataladi.
Bundan ko‘rinadiki, bosim ajratib olingan hajm sirtining
birlik yuzasiga tik ravishda ta’sir etadigan kuchdir.
S
P F
(12.1)
XB sistemasida bosimning birligi qilib Paskal qabul qilingan.
1 2
1
1
m
N
Pа
Suyuqlik va gazlar muvozanatda bo‘lganda tashqi bosim Paskal qonuniga
bo‘ysunadi. Bu qonunga binoan: tinch turgan suyuqlikka (yoki gazga) bo‘lgan tashqi
bosim hamma yO‘nalishda bir xil uzatiladi.
Paskal qonunining to‘g‘riligini silindr porshen sistemasiga kiritilgan uchta
naycha misolida ko‘rish mumkin. (12.2-rasm). Silindrga tushirilgan naycha
uchlarining vaziyati uch xil bo‘lishiga qaramasdan bosimni ko‘rsatuvchi
monometrlar bir xil qiymatni ko‘rsatadi.
Suyuqlikka yoki gazga botirilgan jismga atrofdagi suyuqlik yoki gaz
tomonidan “kO‘tarish” kuchi ta’sir qiladi. Eramizdan oldingi III asrda yashagan
Arximed bu kuchning kattaligini topgan edi: suyuqlik yoki gazga botirilgan jismga
shu jism siqib chiqargan suyuqlikning og‘irligiga teng va tik yuqoriga yo‘nalgan
kuch ta’sir qiladi. Bu kuchning yo‘nalishi siqib chiqarilgan suyuqlik yoki gazning
massa markazidan o‘tadi.
12.1-rаsm
12.2- rаsm
Muvozonatda turgan suyuqlik yoki gazga berilgan tashqi bosim suyuqlik yoki
gazning har bir nuqtasiga o‘zgarishsiz birday uzatiladi
Qattiq jismlarga beriladigan bosim kuchi ta’sir yo‘nalishida uzatiladi. Qattiq
jismlardan farqli ravishda suyuqlik va gazlaming zarralari barcha yO‘nalishlarda bir-
biriga nibatan erkin siljiy oladi. Shuning uchun suyuqlik va gazlarga tashqaridan
beriladigan bosim hamma yO‘nalishlarda uzatiladi. Biror F kuch ta’sirida porshenni
idishning tubi tomon siljitsak, porshen yaqinidagi A sohada gaz siqilib uning
zarrachalari zichroq joylashadi. Lekin gaz molekulalari harakatchan boigani tufayli
ular butun hajm bo‘yicha turli yO‘nalishlarga siljiydi. Natijada gaz molekulalarining
taqsimlanishi sohalaraing barchasida birday, lekin siqilish boshlanishgacha boigan
qiymatdan zichroq boiadi. Shuning uchun, gaz bosimi idishning barcha nuqtalarida
birday kattalikka ortadi. Ushbu tajribani suyuqlik bilan O‘tkazilganda ham shunday
natija kuzatiladi.
Arximed qonuni
Arximed kuchining kattaligi nimaga tengligini ko‘rish uchun silindr suyuqlikka
to‘liq botirilgan deb faraz qilaylik. Silindrning balandligi h va asosining yuzasi S
bo‘lsin. Silindrga suyuqlik tomonidan yon tomondan ta’sir etuvchi kuchlar O‘zaro
bir-birini kompensatsiyalaydi. Suyuqlik tomonidan silindrning ostki
va ustki qismlariga ta’sir etuvchi kuchlar bir-biridan farq qiladi. (13.1-
rasm) Bu kuchlar farqi Arximed kuchiga teng.
gV
gh S
P S
P S
S
P
F
F
F
s
s
Аrx
1
2
1
2
(13.1)
Shunday qilib, Arximed kuchining kattaligi suyuqlikka botirilgan jism
tomonidan siqib chiqarilgan suyuqlikning og‘irligiga teng bo‘lib, yo‘nalishi tik
yuqoriga yO‘nalgan bo‘lar ekan. Bu kuch bosim markaziga ya’ni siqib chiqarilgan
suyuqlikning massa markaziga qO‘yilgan. Suyuqlikka botirilgan jismlarning massa
markazi bilan siqib chiqarilgan suyuqlikning markazi bir vertikal to‘g‘ri chiziqda
yotsa suyuqlikka botirilgan jism turg‘un muvozanatda bo‘ladi. Siqib chiqarilgan
suyuqlikning massa markazi qancha pastroqda bo‘lsa, muvozanat shuncha
turg‘unroq bo‘ladi.
13.1-rаsm
Uzluksizlik tenglamasi. Bernulli tenglamasi.
Suyuqlik yoki gaz harakatlanganda ayrim zarralar orasida ichki ishqalanish
kuchlari paydo bo‘ladi. Ammo, birinchi yaqinlashishda suyuqlik va gazlar
harakatida ichki ishqalanishni hisobga olmaslik mumkin. Ideal suyuqliklarning
oqish qonunlarini bilgan holda ularda ichki ishqalanishni hisobga oluvchi tuzatmalar
kiritish mumkin.
Suyuqliklar yoki gazlar oqimini uning zarralari tezliklari vektori maydoni
yordamida tasavvur etish mumkin. Suyuqliklarning tezligi vektori O‘zaro parallel,
zichligi, temperaturasi hamma nuqtalarda bir xil bo‘lsa bunday suyuqlik oqimiga
statsionar oqim, aks holda beqaror yoki nostatsionar oqim deb ataladi.
Umuman aytganda oqayotgan suyuqlik yoki gazning fazoning turli nuqtalarida
zarralar tezligi kattalik va yO‘nalish jihatidan turlichadir. Harakatlanayotgan gaz
joydan joyga kO‘chganda gazning zichligi, bosim ham O‘zgaradi.
Suyuqlik (yoki gaz) oqimini etarlicha ingichka oqim naylariga ajratsak,
statsionar oqim manzarasi ancha soddalashadi (13.1-rasm). Oqim nayi O‘zaro
parallel joylashgan oqim tezligi vektoridan iborat. Suyuqlik (yoki gaz) oqimi nayida
kO‘ndalang kesim yuzidan birlik vaqtda oqib O‘tayotgan suyuqlik massasi bir xil
bo‘ladi.
Kesim yuzasi S bo‘lgan nayni tasavvur etaylik. Tezlik vektori bu yuzaga
perpendikulyar bo‘lib, vaqt birligi ichida shu yuzani kesib
oqib O‘tuvchi suyuqlik massasi
tS
m
(13.1) bo‘ladi.
Bu erda suyuqlik yoki gazning shu kesimdagi
zichligi. Oqimning uzluksizligi va suyuqlikning biror
joyda to‘planmasligini inobatga olsak, S1 kO‘ndalang kesim yuzadagi oqim tezligi
1
bo‘lsa, S2 kO‘ndalang kesim yuzidagi oqim tezligi
2
bo‘ladi. uholda (13.1)
formula
2
2
1 1
S
S
(13.2)
ko‘rinishni oladi. Bu formuladan ko‘rinadiki, kO‘ndalang kesim yuzasi kichik
bo‘lgan nay oqimida oqim tezligi katta bo‘ladi va aksincha. (13.2) ga oqimning
uzluksizligi haqida teorema ham deb yuritiladi.
13.2-rаsm
Oqim yo‘nalishi bo‘ylab borgan sari torayib boruvchi oqim nayni kO‘z
oldimizga keltiraylik. Suyuqlik nayning torroq qismiga yaqinlashgan sari tezroq oqa
boshlaydi, ya’ni tezlanish oladi (13.2-rasm). Demak, nayning torroq qismiga kirib
borayotgan suyuqlikka nayning kengroq qismidagi suyuqlik biror kuch bilan ta’sir
qiladi. Suyuqlik ichida hosil bo‘ladigan bunday kuch faqat bosimning turli joylarda
turlicha bo‘lishi hisobiga vujudga kelishi mumkin. Bosim hosil qiluvchi kuch oqim
nayining torroq qismiga qarab yO‘nalgan ekan, bundan oqim
nayining torroq joyidagi bosimga nisbatan kengroq joylardagi
bosim katta degan xulosa kelib chiqadi. Haqiqatan ham oqim
nayining toraygan joylarida bosim kengroq joyga nisbatan
kichik bO‘-ladi.
KO‘ndalang kesim yuzasi torayib (S1>S2) boruvchi nay bo‘yicha suyuqlik
(yoki gaz) oqayotgan bo‘lsin. S1 kesimli joyda oqim tezligi
1
bosimi P1 bo‘lsin. S2
kesimli joyda oqim tezligi
2
, bosimi P2 bo‘lsin. Oqim nayining S1 kesimli joyida
balandligi h1, S2 kesimli joyida balandligi h2 bo‘lsin. Ana shunday naydan
m
massasi suyuqlik oqib O‘tsa unda qandaydir ish bajariladi.
m
massali suyuqlik S1 kesim orqali O‘tganda uning to‘la energiyasi E1, S2
kesim orqali O‘tganda esa uning to‘la energiyasi E2 bo‘lsin. U holda E2–E1
energiyalar farqi
m
massali suyuqlikning S1 kesimdan S2 kesimga kO‘chiruvchi
tashqi kuchlarning bajargan ishiga teng bo‘ladi.
E2E1=A
(13.3)
E1 va E2 energiyalar
m
suyuqlik massasining kinetik va potensial energiyalari
yig‘indisidan iborat bo‘ladi.
2
2
2
2
1
2
1
1
2
;
2
mgh
m
Е
mgh
m
Е
(4)
Oqim nayining S1 va S2 yuza orqali m
massali suyuqlikning oqib O‘tish vaqti
t
bo‘lsin. m
massali suyuqlikning S1 kesmadan O‘tishi uchun
t
S
l
1
1
masofaga
siljishi, S1 kesmadan O‘tishi uchun esa
t
S
l
2
2
masofaga siljishi lozim. Shu
massadagi suyuqlik qismining ikki uchiga ta’sir qiluvchi kuchlar mos ravishda
f1=P1S1 va f2=P2S2 bo‘ladi. Birinchi kuch suyuqlik oqayotgan tomonga yO‘nalgani
13.3-rаsm
uchun musbat, ikkinchi kuch ajratilgan qismga
S2
kesimning O‘ng tarafidagi
suyuqlik tomonidan ta’sir qilganligi uchun manfiy yO‘nalgan bo‘ladi.
U holda suyuqlikning naycha bo‘ylab kO‘chishda bajarilgan ish
t
P S
t
PS
l
f
l
f
A
2
2
2
1
1
1
2
2
1
1
(13.5)
E1,E2 va A ning qiymatlarini (13.3) ga olib qO‘ysak
t
P S
t
P S
mgh
m
mgh
m
2
2
2
1
1
1
1
2
1
2
2
2
2
2
va
t
S
V
11
va
V
m
0
ekanligini inobatga olsak
2
2
2
2
1
1
2
1
2
2
P
gh
P
gh
(13.6)
kelib chiqadi. Bu ifodaga Bernulli tenglamasi deyiladi. Gorizontal oqim uchun h2=h1
bo‘lganligidan
2
2
2
1
2
1
2
2
P
P
(13.7)
tenglik O‘rinlidir.
2
2
bosimga gidrodinamik
gh
ga gidrostatik bosim deyiladi.
(13.7) formuladan ko‘rinadiki, agar suyuqlik turli xil kesimga ega bo‘lgan
gorizontal trubadan oqayotgan bo‘lsa suyuqlik tezligi
trubaning toraygan joyida kattaroq, (demak gidrodinamik
bosim katta), gidrostatik bosim esa trubaning keng joylarida
kattaroq bo‘ladi. (gidrodinamik bosim kichik) (13.3-rasm)
Trubaga O‘rnatilgan a, b, c naychalar buni ko‘rsatadi.
Agar suyuqlik oqimiga qarshi yO‘nalishda qayrilgan naycha qO‘yilsa (Pito
nayi 13.5-rasm)
Bunday naycha yaqinida oqim chiziqlari O‘zgaradi. Suyuqlikning naycha
teshigi oldidagi tezligi nolga teng bo‘ladi. Bu hol uchun (13.7) formulani tadbiq
etsak naycha teshigi oldida
2 0
bo‘lganligi uchun
13.4-rаsm
13.5-rаsm
2
2
1
1
2
P P
(13.8)
Bundan ko‘rinadiki teshigi oqimiga qarshi qaratilgan monometrik naycha P1
bosimdan
2
12
ga katta bo‘lsa P2 bosimni ko‘rsatadi.
Naychaning keng joyida bosim atmosfera bosimiga teng bo‘lsa, tor joyida
bosim atmosfera bosimidan kichik bo‘ladi. Bunda oqim sO‘ruvchan ta’sir
ko‘rsatadi. Suv oqimli nasoslari va puliverizatorlar ishlashi toraytirilgan oqimning
mana shu suruvchi ta’siriga asoslangan. Suv oqimli nasosning ishlash sxemasi 13.5-
rasmda keltirilgan.
Bernulli tenglamasining amaliy tadbig‘i nimadan iborat ekanligini ko‘raylik.
Ma’lum idishga suyuqlik solingan bo‘lib, undagi suyuqlik sathidan h pastlikdagi
teshikdan oqib chiqayotgan suyuqlikni kuzataylik (13.6-rasm).
13.6-rasm
13.7-rasm
Ana shunday hol uchun Bernulli tenglamasi
2
2
2
2
1
1
2
1
2
2
P
gh
P
gh
Tashqi bosim atmosfera bosimiga teng bo‘lganligi uchun
P1=P2
bo‘ladi hamda suyuqlikni kichik teshikdan oqib chiqish tezligi
2
, suyuqlik
sathining pasayishi tezligiga nisbatan juda katta
)
(
2
1
shuning uchun
1 0
deb
olish mumkin. U holda
2
2
2
1
2
gh
gh
(13.9)
tenglik O‘rinli bo‘ladi. Bu formuladan
gh
h
g h
2
)
(
2
2
1
2
2
yoki
2gh
2
(13.10)
Bu formulaga Torrichelli formulasi deyiladi va undan ko‘rinadiki, biror
teshikdan oqib chiqayotgan suyuqlikning tezligi suyuqlik sathidan teshikkacha
bo‘lgan masofa balandligida erkin tushayotgan jism tezligiga teng bo‘lar ekan.