تسجيل الدخول

تسجيل

المجاري المائية الرفيعة المتعرجة

المؤلف:  جيرل ووكر

المصدر:  سيرك الفيزياء الطائر

الجزء والصفحة:  ص415

2025-08-14

807

إذا تدفق مجرى مائي رفيع على سطح زجاجي أملس مائل بزاوية أقل من 30 درجة، فسيكون المجرى مُستقيمًا. وإذا زاد الميل عن 30 درجة، فمن الممكن أن يظل المجرى مستقيما، لكن من الممكن أن يتعرَّج يسارًا ويمينًا، مُكوِّنًا إما نسَقًا مُتعرجا مستمرًا أو دائم التغير (انظر شكل 1). فما سبب التعرُّج؟

الجواب: عندما يكون معدل التدفق الحجمي» (كمية المائع المتدفق عبر نقطة معينة في الثانية منخفضًا، فإن تأثير الجاذبية على الماء يميل إلى إسالة الماء مباشرة على السطح المائل. يقلل التوتر السطحي (الناتج عن التجاذب المتبادل بين جزيئات الماء) من منطقة السطح ويعمل كغشاء مطاطي، فيحافظ على استقامة التيار تزيد الجاذبية من سرعة المجرى في الجزء الأول منه. ومع ازدياد سرعة الماء تقلُّ مساحة المقطع العرضي في المجرى؛ لأنه مع تحرك الماء بسرعة أكبر تقل المساحة المطلوبة لنقل القدر نفسه من الماء في الثانية. إلا أنه مع ازدياد السرعة يزداد تأثير المقاومة على الماء من السطح المائل إلى أن تُصبح المقاومة مُساوية لقوة الجاذبية. وبعد ذلك لا تتغيَّر السرعة أو مساحة المقطع العرضي.

شكل 1: (أ) بالنظر إلى أسفل مباشرة على سطح مائل نجد أن مجرى الماء يتعرج. (ب) مقطع عرضي في انحناءة الانحناء الشديد على الجانب الأيمن يسفر عن قوة شديدة على الجانب الأيسر.

عندما يكون معدل التدفق الحجمي أكبر نسبيًّا، يمكن أن تتسبب حركة الماء في جعل المجرى غير مستقر عن طريق وجود سرعات مختلفة عبر المجرى. يعني اختلاف السرعة هذا أن شكل المجرى لم يعد متماثلا ويتسبب التوتر السطحي على الجانب الأكثر انحناء في قوة جذب أكبر من التوتر السطحي على الجانب الأقل انحناء. وإذا افترضنا أن الانحناءة بدأت في التكون بفعل الصُّدفة في المجرى، فإن الانحناءة لن تُصبح واضحة إلا إذا أصدر التوتر السطحي في المجرى قوة كافية لدفع المجرى على نحو مائل عبر السطح المائل. يعرض الشكل (1 ب) مثالاً على ذلك؛ حيث نرى مقطعًا عرضيًّا عبر جزء من انحناءة في المجرى. نظرًا لأنَّ الجانب الأيسر من المجرى أكثر تقوسا من الجانب الأيمن، فإن التوتر السطحي ينتج قوة أكبر في الجانب الأيسر. وتُوجَّه هذه القوة تحديدًا إلى الجانب الأيمن، ويُترك المجرى المنعطف متوجها لليمين عبر خط مائل مما يجعل الانحناءة واضحة. وعندما يزداد معدل التدفق الحجمي، فإنَّ الماء المندفع يتمكن من التغلب على ميول التوتر السطحي. فمن الممكن أن يتجاوز المجرى الانحناءة؛ ومن ثمَّ يُحركها من مكانها. أو من الممكن أن يتفرق على طول الخط المائل، تاركًا الانحناءة نظرًا لأن الماء يسلك طريقًا جديدًا، ثم تنزلق الأجزاء المتروكة على السطح المائل.