สรุป ฟิสิกส์ เรื่อง ของไหล คืออะไร พร้อมข้อสอบ

สรุปเนื้อหาเรื่อง ของไหล คืออะไร

ของไหล หรือ Fluids คือ สสารที่สามารถไหลได้โดยมีรูปร่างเปลี่ยนแปลงไปตามภาชนะที่บรรจุ เมื่ออยู่ในสภาวะสมดุล ของไหลจะไม่สามารถรับแรงเฉือนได้และของไหลทุกชนิดจะยุบตัวตามความกดดันได้เล็กน้อย ซึ่งในที่นี้ก็คือของเหลวและแก๊ส

สมบัติพื้นฐานของของไหล

1. ความหนาแน่น (Density, p ) คือ มวลสารต่อหนึ่งหน่วยปริมาตร ความหนาแน่นเป็นลักษณะหนึ่งซึ่งแสดงถึงคุณสมบัติเชิงกายภาพของสสาร ในการศึกษากลศาสตร์ของไหลเบื้องตัน (ที่ของไหลมีความเร็วต่ำกว่าความเร็วเสียงมาก) สามารถกำหนดให้ความหนาแน่นของของไหลเป็นค่าคงตัวได้
2. ความหนาแน่นสัมพัทธ์ (Relative Density) ของสารใด หรือความถ่วงจำเพาะ คือ อัตราส่วนระหว่างความหนาแน่นของสารนั้น กับ ความหนาแน่นของสารอ้างอิง โดยทั่วไปนิยมใช้ความหนาแน่นของน้ำบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเชียส เป็นความหนาแน่นอ้างอิง

3. ความดันในของแหลว

• แรงดัน ( Force, F ) คือ ผลคูณระหว่างความดันกับพื้นที่ที่ถูกแรงกระทำ แรงดันเป็นปริมาณเวกเตอร์ มีหน่วยเป็น นิวตัน
• ความดัน ( Pressure, P ) คือ อัตราส่วนระหว่างแรงที่กระท้าต่อพื้นที่ที่ถูกแรงกระทำ โดยพื้นที่นั้นต้องตั้งฉากกับแรงกระทำด้วย ความดันเป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็นนิวตันต่อตารางเมตร หรือพาสคัล (Pa)

หมายเหตุ :

• แรงที่ของเหลวกระทำต่อผนังภาชนะและวัตถุที่จมจะมีทิศตั้งฉากกับผนังภาชนะและวัตถุที่จมเสมอ
• และถ้าเราลองเจาะรูของภาชนะ จะพบว่า แรงที่ของเหลวจะดันน้าให้พุ่งออกมาตั้งฉากกับภาชนะที่ตำแหน่งที่เจาะรูเสมอ ดังรูป

กฎของปาสคาล

กฎของปาสคาลกล่าวว่า “ถ้าให้ความดันแก่ของเหลวที่อยู่ในภาชนะปิดใดๆ ความดันนั้นจะส่งไปทั่วทุก ๆ ส่วนของของเหลว และที่ผนังของภาชนะซึ่งบรรจุของเหลวนั้น ” กฎของปาสคาลแสดงให้เห็นได้โดยเครื่องอัดไฮดรอลิก (hydraulic press) ดังภาพ

หลักของอาร์คีมีดิส

“เมื่อวัตถุทั้งก้อนหรือเพียงบางส่วนจมลงในของเหลว ของเหลวจะออกแรงในทิศขึ้นกระทำต่อวัตถุมีขนาดเท่ากับขนาดน้ำหนักของของเหลวซึ่งถูกแทนที่และแรงนี้คือแรงลอยตัวของของเหลวนั้นเอง”

4. ความตึงผิว

ความตึงผิว คือ แรงระหว่างโมเลกุลของของเหลวที่ดึงกันไว้ ทำให้ผิวของเหลวราบเรียบและตึง ซึ่งความตึงผิวของของเหลวแต่ละชนิดที่อุณหภูมิเดียวกันมีค่าไม่เท่ากัน สำหรับของเหลวชนิดหนึ่งความตึงผิวจะเปลี่ยนไปเมื่อของเหลวมีสารเจือ เช่น น้ำเกลือหรือน้ำสบู่จะมีความตึงผิวน้อยกว่าน้ำ และความตึงผิวจะลดลงเมื่ออุณหภูมิของของเหลวเพิ่มขึ้น และแรงดึงผิวนี้จะมีทิศขนานกับผิวของเหลวและตั้งฉากกับขอบที่ของเหลวสัมผัส ดังรูป

5. ความโค้งของผิวของเหลว

กล่าวคือ ของเหลวในภาชนะจะมีผิวลักษณะโค้งนูนหรือโค้งเว้า ขึ้นกับแรงระหว่างแรงเชื่อมแน่น(cohesive force)ที่เกิดขึ้นระหว่างโมลุกุลชนิดเดียวกัน กับแรงยึดติด(adhesive)ที่เกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลต่างชนิดกัน

6. ความหนืด

ของไหลที่มีความหนืดมากจะมีแรงต้านการเคลื่อนที่อันเนื่องมาจากความหนืดของของไหล เรียกว่า “แรงหนืด” แรงหนืดที่กระทำต่อวัตถุขึ้นอยู่กับขนาดความเร็วของวัตถุและแรงนี้มีทิศตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ

พลศาสตร์ของไหล

เป็นวิชาที่ว่าด้วยการเคลื่อนที่ของของไหล ในปัจจุบันได้แบ่งการไหลของของไหลออกเป็น 2 ประเภทหลัก คือ

• การไหลแบบราบเรียบ (laminar flow) เป็นการเคลื่อนที่อย่างเป็นระเบียบ โดยชั้นของไหลที่อยู่ติดกันจะเลื่อนผ่านกันอย่างราบเรียบไม่ปะปนกัน และเส้นทางการไหลของแต่ละอนุภาคจะไม่ตัดกัน
• การไหลแบบปั่นป่วน (turbulent flow) เกิดขึ้นเมื่อการเคลื่อนที่ของของไหลมีความเร็วมากจนถึงค่าหนึ่ง ซึ่งมีลักษณะยุ่งเหยิงไม่เป็นระเบียบและมีรูปแบบที่ซับซ้อน

ของไหลอุดมคติ

จะต้องมีสมบัติเกี่ยวกับการไหล 4 ข้อ ดังนี้

1. การไหลแบบคงตัว (Steady flow)
2. การไหลแบบไม่หมุน (irrotational flow)
3. การไหลแบบอัดตัวไม่ได้ (incompressible flow)
4. การไหลแบบไม่มีความหนืด (nonviscous flow)

ซึ่งสามารถอธิบายพฤติกรรมของการไหลให้เข้าใจได้ง่ายด้วย เส้นกระแส สมการการต่อเนื่อง (equation of continuity) และสมการแบร์นูลลี (Bernoulli’s equation)

• เส้นกระแสเป็นการสร้างเส้นที่เรียกว่าสายกระแส (stream ine) โดยบอกทั้งขนาดและทิศทางของความเร็วที่ทุกๆ จุดในลำของเหลวที่เคลื่อนที่
• สมการการต่อเนื่อง (equation of continuity) และ สมการแบร์นูลลี (Bernoulli’s equation) อธิบาย ดังรูป

ตัวอย่างข้อสอบเรื่อง ของไหล

1. ข้อใดต่อไปนี้ไม่ใช่คุณสมบัติของ ความหนาแน่น

ก. หาได้จากอัตราส่วนของมวลต่อปริมาตรของสารนั้น
ข. สารต่างชนิดกันจะมีความหนาแน่นต่างกัน
ค. สารชนิดเดียวกันถ้ามีมวลต่างกันความหนาแน่นก็ต่างกันด้วย
ง. น้ำ และน้ำแข็งมีความหนาแน่นต่างกัน

2. ข้อใดไม่ถูกต้องเกี่ยวกับลักษณะสำคัญของความดันของของเหลว

ก. ณ ที่ก้นภาชนะเท่านั้น จะมีแรงดันของของเหลวจะมีทุกทิศทางรอบตำแหน่งนั้น
ข. ของเหลวที่อยู่ติดกับผิวภาชนะจะส่งแรงดันออกในทิศตั้งฉาก
ค. ภายใต้สภาพแรงดึงดูดโลก ความดันของของเหลว ณ ตำแหน่งใดๆจะขึ้นอยู่กับความลึก
ง. ความดันขึ้นอยู่กับความลึก ไม่เกี่ยวกับรูปร่างภาชนะ

3. ตัวอย่างข้อสอบ สสวท.

4. น้ำกรดที่ใช้บรรจุแบตเตอรี่ มีความถ่วงจำเพาะ = 1.165 ปรากฏว่าเมื่อชั่งน้ำกรดปริมาณหนึ่งได้หนัก 3.895 N ปริมาตรของยน้ำกรดควรเป็นเท่าใด

5. เขื่อนเก็บน้ำแห่งหนึ่งมีความกว้างของสันเชื่อน w และน้ำหลังเขื่อนสูง H จงหาแรงลัพธ์ที่น้ำกระทำต่อผนังเขื่อน