سیالات، موادی هستند که وقتی تحت فشار قرار گیرند، قادر به جریان هستند و دچار تغییراتی در شکل خود می‌شوند. آنها شامل گازها، مایعات و حتی برخی از جامدات پلاستیک هستند. نیازی به گفتن نیست که با توجه به توانایی جریان آنها از یک مکان به مکان دیگر و ماهیت غیر سفت و سخت آنها، مطالعه خواص سیال همیشه سخت‌تر از جامدات سفت و سخت بوده است. با این حال، این طبیعت بسیار روان و تغییر شکل پذیر آن‌هاست که پیشرفت‌های بسیار خوبی را در علم ممکن کرده است. پمپاژ آب و روغن، انتقال آنها از طریق لوله کشی، توسعه موتور احتراق داخلی و حتی فناوری جدید حمل و نقل هوایی، همگی وجود خود را مدیون بهره برداری از خواص سیال هستند.
به لطف توانایی جریان آنها، مایعات را می‌توان از طریق لوله‌ها و کانال‌ها انتقال داد. در چنین نوع حمل و نقلی، فشار نقش بسیار مهمی ایفا می‌کند. با تعدیل فشار، سیالات نه تنها از جایی به جای دیگر منتقل می‌شوند، بلکه حتی می‌توانند برای انجام برخی کارها برای ما نیز مورد بهره برداری قرار بگیرند. این فیزیکدان ایتالیایی Giovanni Venturi بود که در سال 1797 این راه را کشف کرد که حتی تغییر قطر یک لوله می‌تواند در فشار مایع موجود در آن تأثیر داشته باشد. بگذارید در مورد این مفهوم، که به طور مناسب اثر ونتوری نامیده شده است، بیشتر بدانیم.
اثر ونتوری چگونه کار می‌کند؟
هنگامی که یک سیال در حال عبور از میان لوله با انقباض یا تنگی یا باریک شدن لوله رو به رو می‌شود، سرعت جریان در همرفت افزایش می‌یابد، همراه با افت مربوط به فشار استاتیک. این اصل، اثر ونتوری نامیده می‌شود.مطابق اصل برنولی، سرعت جریان یک سیال به صورت معکوس با فشار استاتیک آن متناسب است. این بدان معنی است که، هنگامی که سرعت سیال افزایش می‌یابد، فشار آن کاهش می‌یابد. اثر ونتوری نسخه‌ای از اصل برنولی است اما به طور خاص برای جریان سیالات از میان لوله مناسب است.
هنگامی که یک سیال که از میان لوله جریان می‌یابد با یک تنگنا برخورد می‌کند، این به این معناست که سطح مقطع در آن نقطه کاهش یافته است و در نتیجه روزنه کوچکتر خواهد بود. با این حال، سرعت جریان سیال نمی‌تواند کاهش یابد، زیرا مطابق با "اصل پیوستگی"، نرخ جریان جرم به داخل یک سیستم مجزا شده و از داخل به بیرون آن، ثابت می‌ماند. بنا بر این، برای حفظ همین میزان جریان، مولکول‌های سیال باید با سرعت بیشتری از میان انقباض بیرون بیایند، تا در همان زمان میزان جرم جا به جا شده‌ی یکسانی را پوشش دهند. این منجر به افزایش سرعت جریان می‌شود. فرمول انرژی جنبشی سیال عبارت است از:
نصف حاصل ضرب چگالی جرمی سیال در مجذور سرعت جریان سیال.
بدیهی است، با افزایش سرعت سیال در محل تنگی لوله، انرژی جنبشی آن نیز افزایش می‌یابد. اما مطابق قانون "پایستگی انرژی"، انرژی را نمی‌توان ایجاد کرد و یا از بین برد. این بدان معنی است که کل انرژی باید ثابت بماند. بنا بر این، با افزایش انرژی جنبشی سیال، فشار آن که چیزی جز چگالی انرژی آن نیست، به طور متناسب کاهش می‌یابد، به طوری که مقدار کل انرژی ثابت می‌ماند و قانون پایستگی انرژی صادق می‌ماند.
اثر ونتوری را همچنین می‌توان با مطالعه معادله برنولی که به صورت زیر است اثبات کرد:
مجموع «نصف مجذور سرعت جریان» و «حاصل ضرب ثابت شتاب جاذبه در ارتفاع» و «تقسیم فشار سیال بر چگالی جرمی سیال» برابر است با یک مقدار ثابت.
از آن جا که مقدار کل معادله در یک ارتفاع معین ثابت باقی می‌ماند، هرگونه افزایش در سرعت جریان باید با کاهش متغیر دیگر در معادله متعادل شود، به طوری که مقدار ثابت بماند. اما در هر ارتفاع معین، تنها متغیرها سرعت و فشار هستند. بنابراین، افزایش سرعت، فقط می‌تواند منجر به کاهش فشار شود، تا معادله برنولی بتواند برقرار بماند. بنابراین، هنگامی که یک سیال از میان یک تنگنا جریان می‌یابد، سرعت جریان آن با کاهش فشار استاتیک افزایش می‌یابد.
هنگامی که یک سیال که از میان یک لوله جریان می‌یابد با یک تنگی مواجه می‌شود، افزایش سرعت جریان بدین معنی است که یک فشار کمِ لحظه‌ای در این نقطه ایجاد می‌شود. فشار در مناطق دیگر لوله بسیار بیشتر است. به دلیل این اختلاف فشار، مایعات از قسمت‌های دیگر لوله به سمت قسمت منقبض می‌روند. اگر لوله‌ی محتوی سیال دیگری به این لوله‌ی دارای تنگنا متصل شود، در این صورت خلأ ایجاد شده توسط مایعِ سریع در محل تلاقی باعث خارج شدن مایع در لوله دیگر می‌شود. از این اصل در کلیه کاربردهای اثر ونتوری استفاده می‌شود.
چند کاربرد اثر ونتوری
هواپیماها
بال‌های هواپیما به گونه‌ای طراحی شده‌اند که سرعت عبور باد از روی آنها را افزایش می‌دهند. طبق اصل برنولی، سرعت زیاد جریان هوا باعث ایجاد ناحیه‌ای با فشار کم می‌شود. هوای زیر بال‌ها برای اشغال این خلأ به سمت بالا هجوم می‌آورد، که منجر به تولید یک نیروی بالابر به سمت بالا می‌شود، و بنابراین پرواز هواپیما امکان پذیر می‌شود.سر شلنگ‌های افشانه
در تفنگ رنگ، فشار دادن سر شلنگ منجر به آزاد شدن هوای تحت فشار از میان یک تنگنا می‌شود. یک ظرف رنگ به این محفظه وصل شده است و فشار کم حاصل در نقطه تنگنا باعث می‌شود که رنگ به زور به همراهی با هوا مجبور شود. هنگامی که سرعت سیال افزایش می‌یابد، فشار آن کاهش می‌یابد. در بطری‌های عطر، فشار دادن سر شلنگ باعث می‌شود که هوای فشرده با سرعت زیاد از یک دهانه باریک خارج شود. محفظه عطر به این منطقه وصل شده است و فشار کم ایجاد شده باعث می‌شود مولکول‌های مایع با هوا مخلوط شوند و مجبور به بیرون کشیده شدن شوند.هواسازهای آکواریوم
پمپ‌های هوا دهی سطح مناسب اکسیژن محلول را در آب آکواریوم‌ها حفظ می‌کنند که برای بقای ماهی‌ها بسیار حیاتی است. آنها با عبور آب از میان یک لوله، که دارای تنگی یا دهانه باریک است، کار می‌کنند. این لوله به شلنگی متصل است که به جو باز می‌شود. هنگامی که آب از تنگنا عبور می‌کند، یک خلاء موقت ایجاد می‌شود. این امر هوا را از شیلنگ به داخل لوله می‌کشد و آن را به داخل مخزن منتقل می‌کند.منبع: آکشای چاوان
