Текст выступления:

Тұтқыр сұйықта қозғалатын кішігірім шар жылдамдығының тұрақты мәнге жету заңдылығын зерттеу
1. Тұтқыр сұйықта шар қозғалысы мен жылдамдықтың тұрақталуы: негізгі мәселелер

Құрметті тыңдаушылар, бүгінгі тақырыбымыз – тұтқыр сұйықтағы шардың қозғалысы және оның жылдамдығының тұрақталуы мәселелері. Бұл тақырып физика, инженерия және биомедицина салаларында терең маңызға ие. Біз сұйықтықтың тұтқырлық қасиеті мен оған түсетін денелердің динамикасын қарастыратын боламыз, сондай-ақ тәжірибелік бақылаулар мен математикалық модельдерге шолу жасаймыз.

2. Ғылыми және практикалық мәселелердің маңызы

Тұтқыр сұйықтық механикасы бүгінгі таңда ғылыми зерттеулер мен өндірістік процестерде кең қолданыс табуда. Мысалы, биомедицинада қан ағымының қозғалыс заңдылықтарын түсіну маңызды, ал өнеркәсіпте тұтқырлықтың басқарылуы өнім сапасын арттырады. Шардың сұйықтықтағы қозғалысын зерттеу, оның ағын мәселері мен қарсылық күштерін талдауға мүмкіндік береді. Бұл ғылым мен техника саласында жаңа технологиялар мен модельдердің пайда болуына ықпал етеді.

3. Тұтқырлық ұғымының негіздері мен сипаттамалары

Тұтқырлық сөзінің мәні XVIII–XIX ғасырларда қалыптасты. Исаак Ньютонның тұтқыр сұйықтардың көзқарасы бойынша, тұтқырлық – сұйық пен дененің ішкі үйкелісінен туындайтын күш. Бұл құбылыс ағынның қарсылығын анықтайды, мәнін сипаттайтын коэффициент болып табылады. Қазіргі кезде тұтқырлықтың түрлі типтері, мысалы, динамикалық және кинематикалық тұтқырлық анықталып, олардың практикалық қолданылуы кеңейтілуде.

4. Сұйықтағы шар қозғалысының негізгі ерекшеліктері

Сұйыққа түсетін шарға үш негізгі күш әсер етеді: гравитациялық, Архимедтің көтеру күші және тұтқырлық күші. Алдымен, ауырлық денені төмен қарай тартады, ал Архимед күші оны жоғары қарай итереді. Тұтқырлық күші шардың қозғалысына қарсылық көрсетеді, ол бастапқы кезде аз, сондықтан шар үдеумен қозғалады. Уақыт өте келе бұл күштер теңдестіріліп, шар тұрақты жылдамдыққа жетеді, яғни орныққан қозғалыс пайда болады.

5. Шарға әсер етуші күштердің өзара үйлесімі

Қозғалыстың динамикасын түсіну үшін шарға әсер ететін күштердің өзара байланысын қарастыру қажет. Массасы мен ауырлық күші (mg), Архимед күшінің көтеру әсері (F_Архимед) және тұтқырлық күші (F_тұтқыр) бірігіп әрекет етеді. Бұл күштердің тепе-теңдігі шардың қозғалыс режимін анықтайды. Мысалы, басында ауырлық күші жеңіп шығып, шар тез қозғалады, кейін тұтқырлық күші артып, жылдамдық төмендейді. Нәтижесінде үйлесімді теңгерім орнап, шар орныққан жылдамдықпен қозғалады.

6. Әртүрлі сұйықтардың тұтқырлық мәндері (20°C)

Тұтқырлықтың мәндері сұйық түріне қарай әр түрлі болады. Мысалы, су 1,00 мПа·с тұтқырлыққа ие, ал сірке суы немесе бал сияқты заттар әлдеқайда жоғары тұтқырлық көрсетеді. Бұл сұйықтағы шар қозғалысына тікелей әсер етеді: тұтқырлығы жоғары сұйықтарда шар баяулайды, ал төмен тұтқырлы сұйықтарда жылдамдық арта түседі. Осы мәліметтер тәжірибелер мен өндірістік процестерді оңтайландыруда қолданылады.

7. Стокс заңы және тұтқырлық күшінің формуласы

Тұтқырлық күшін сипаттауда Стокс заңы маңызды орын алады. Бұл заң бойынша, тұтқырлық күші F_тұтқыр = 6πrηv деп есептеледі, мұндағы r – шар радиусы, η – сұйықтың тұтқырлығы, v – жылдамдық. Бұл формула ламинарлық ағын жағдайында қолданылады. Сонымен қатар, тұтқырлық күші қозғалысқа қарсы бағытталған және жылдамдықпен пропорционал. Осы заңдылықтар сұйықтағы қозғалысты модельдеуде негіз болып табылады.

8. Жылдамдықтың тұрақты мәнге жету механизмі

Шар қозғалғанда оның жылдамдығы бастапқы уақытта үдемелі түрде өседі, себебі тұтқырлық күші әлі кішкентай. Уақыт өте келе тұтқырлық күші артып, басқа күштермен теңеледі. Осы процесс барысында шар жылдамдығы баяулап тұрақты мәнге жетеді. Мұндай жылдамдықтың тұрақталуы шар мен сұйық арасындағы күштер теңгерімін қалыптастырады, бұл қозғалыстың негізгі механизмі болып табылады.

9. Уақыт бойынша шар жылдамдығының өзгеруі

Графиктен көрініп отырғандай, шардың жылдамдығы қозғалыстың басында тез өседі, кейін баяулайды да орныққан деңгейге жетеді. Бұл динамика күштер тепе-теңдігіне байланысты. Бұл тәжірибелік мәліметтер қозғалыстың теориялық түсінігін растауымен ерекшеленеді. Осындай анализ арқылы жылдамдық пен күштердің арасындағы байланыс нақты көрініс табады.

10. Орныққан жылдамдықтың математикалық формуласы

Шардың орныққан жылдамдығын есептеу маңызды мәселе. Бұл формула шардың тығыздығы мен радиусы, сұйықтықтың тұтқырлығы және гравитациялық күш негізінде шығарылады. Нәтижесінде туынды жылдамдық нақты әрі дәл есептеледі, бұл негізінен инженерлік есептер мен ғылыми зерттеулер үшін қажет.

11. Эксперименттік мәліметтер: әртүрлі диаметрлер

Эксперимент нәтижелері көрсеткендей, шардың диаметрі ұлғайған сайын оның орныққан жылдамдығы артады. Бұл шардың қозғалысына әсер ететін күштердің арасындағы тепе-теңдіктің өзгеруін аңғартады. Үлкен диаметрлі шарлар тұтқырлыққа аз қарсыласу көрсетеді, сондықтан тез қозғалады. Мұндай мәліметтер тұтқырлық күшін зерттеуде және өндірістік процестерді оңтайландыруда пайдаланылады.

12. Температураның сұйық тұтқырлығына әсері

Температураның сұйықтық тұтқырлығына әсері айқын. Молекулалар температурасы жоғарылаған сайын белсенді қозғалып, сұйықтықтың ішкі үйкелісі төмендейді. Мысалы, судың тұтқырлығы 20°C-де 1,00 мПа·с болса, 40°C-де ол 0,65 мПа·с-қа төмендейді. Тұтқырлықтың төмендеуі шардың қозғалысында кедергіні азайтып, жылдамдықтың өсуіне мүмкіндік береді. Бұл құбылыс практикалық тәжірибелер мен есептеулерде ескерілетін маңызды фактор ретінде бағаланады.

13. Эксперименттік қателер мен бақылау шарттары

Эксперименттерде бірнеше қателер жиі кездеседі. Мысалы, қабырға эффектілері шардың қозғалысын бұрмалауы мүмкін, сондықтан көлемді цилиндрлер қолданған жөн. Сонымен қатар, сұйықтың біртектілігі мен температурасының тұрақтылығы зерттеу нәтижелерінің сенімділігіне әсер етеді. Диаметрді дәл өлшеу арқылы математикалық модельдермен салыстыру жеңілдейді және қателер азаяды.

14. Биология мен медицинадағы тұтқырлық құбылысының қолданысы

Биомедицина саласында тұтқырлық құбылыстары маңызды роль атқарады. Мысалы, қанның сұйықтық және тұтқырлық қасиеттерін зерттеу оның ағу күрделілігін түсінуге мүмкіндік береді. Бұл диагноз қою және дәрі-дәрмек әсерін бақылауда қолданылады. Сонымен қатар, тұтқырлық зерттеулері микроорганизмдердің қозғалысын бақылауда және жасушалық инжинирингте де маңызды.

15. Мектеп оқушыларына арналған зерттеу жобасы мысалы

Жастарға арналған тәжірибелік жоба барысында оқушылар сұйықтардың тұтқырлығын және шарлардың диаметрін өлшейді, олардың қозғалысын бақылайды. Дәрежелі цилиндр мен секундомер көмегімен алынған деректер нақты уақыт режимінде тіркеледі, бұл бағалауды жетілдіреді. Жиналған мәліметтер график түрінде көрсетіліп, теориялық формулалармен салыстырылады. Эксперимент қателері талданып, шешу жолдары ұсынылады, бұл оқу процесіне практикалық мән береді.

16. Теориялық және тәжірибелік нәтижелердің салыстырмасы

Қазіргі таңда ғылым мен техника саласындағы зерттеулер теориялық негіздермен тәжірибелік бақылаулардың арасындағы байланысқа ерекше мән береді. Бұл диаграммада тұтқыр сұйықтықтағы шардың қозғалысы зерттелген кезде алынған теориялық есептеулер мен тәжірибелік мәліметтердің орташа мәндері салыстырылады. Мұндай салыстыру зерттеушілерге теориялық модельдің қаншалықты нақты тәжірибелік жағдайларды сипаттайтынын анықтауға мүмкіндік береді. Ғылыми әдістің негізін құрайтын бұл тәсіл, әсіресе механика мен гидродинамика салаларында, экспериментпен расталмаған теорияларсыз дамуы мүмкін емес. 2023 жылы жүргізілген оқушы зерттеулерінің деректері негізінде алынған нәтижелерге сүйенсек, тәжірибелік мәндер теориялық болжамдарға жақын, алайда нақты эксперименттік жағдайлардың күрделілігі салдарынан кейбір ерекшеліктер мен айырмашылықтар байқалады. Бұл зерттеулердің маңыздылығы мынада — олар бізге сұйықтықтағы қозғалыс механизмдерін тереңірек түсінуге, әрі қарайғы зерттеулерде модельдеуді жетілдіруге жол ашады.

17. Тұрақты жылдамдыққа жету уақыты және оны бақылау

Қозғалыста тұрақты жылдамдыққа жету кезіндегі уақыт аралығы және оның бақылау әдістері сұйықтық динамикасында маңызды концепция болып табылады. Бұл процесс зерттеудің теориялық және практикалық аспектілерін байланыстырады, өйткені тұрақты жылдамдыққа жету қозғалыс тепе-теңдігінің орнауын білдіреді. Эксперименттерде бұл уақытты дәл өлшеу үшін түрлі сандық және визуалды техника қолданылады, мысалы, видеокамералардың жоғары жылдамдықты кадр түсіруі немесе электрондық сенсорлар. Осы тұрғыдан физика және инженерлік салаларда тұрақты жылдамдыққа жету уақыты қаншалықты қысқа немесе ұзақ екені оның тиімділігін, ресурстарды үнемдеуді және қауіпсіздікті қамтамасыз етуде маңызды рөл атқарады. Қолданбалы ғылымдарда бұл мәселені бақылау әдістері жүйелі түрде жетілдіріліп отырады, бұл процестердің нақты уақыт режимінде бақылануын және басқарылуын қамтамасыз етеді.

18. Өнеркәсіптік және табиғи құбылыстардағы мысалдар

Өнеркәсіптік салада тұтқырлық қасиеті маңызды техникалық мәселелерді шешуде қолданылып келеді. Мысалы, майлау жүйелерінде сұйықтық тамшыларының қозғалысы мен олардың таралуы тиімділікті арттырады және машиналардың ұзақ қызмет етуін қамтамасыз етеді. Мұндай процестердегі тұтқырлықтың әсерін түсіну өнеркәсіптік құрылғыларды оңтайлы жобалауға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, табиғаттағы құбылыстар да тұтқырлықтың көріністерінде айқын көрінеді. Жаңбыр тамшыларының ауадағы қозғалысы немесе лайлы судың ағысындағы бөлшектердің қозғалуы – осы физикалық қасиеттің көрнекті мысалдары. Бұл процестер табиғаттағы динамикалық күйдің күрделілігін көрсетіп, экологиялық жүйелердің мінез-құлқын түсінуде маңызды рөл атқарады.

19. Физика сабағындағы тұтқырлық құбылысының орны

Тұтқырлық құбылысы физика сабақтарында маңызды рөл атқарады, себебі ол оқушыларға теориялық білімді тәжірибемен ұштастыруға және ғылыми түсінікті нығайтуға мүмкіндік береді. Бұл зерттеу арқылы физикалық заңдардың нақты өмірде қалай іске асатынын көруге болады, және бұл оқушылардың білім алуын нақты мысалдар арқылы түсіндірудің тиімді жолы болып табылады. Сонымен қатар, математикалық модельдеу мен эксперименттік нәтижелерді сараптау дағдылары қалыптасады. Бұл қабілеттер талдау мен сын тұрғысынан ойлау деңгейін арттырып, ғылыми зерттеулер жүргізуге қажетті негіз дайындайды. Тұтқырлық құбылысына деген қызығушылықтың артуы оқушыларды сұйық механика саласына тереңірек үңілуге ынталандырып, күнделікті өмірдегі құбылыстарды ғылыми тұрғыдан бағалауға үйретеді.

20. Тұтқыр сұйықта шар қозғалысын зерттеудің маңыздылығы

Тұтқыр сұйықтықтағы шардың орныққан жылдамдығын зерттеу – теориялық білім мен тәжірибелік бақылауды ұштастыратын маңызды ғылыми бағыт. Бұл бағыттың зерттелуі ғылым мен технологияның түрлі салаларында жаңа мүмкіндіктер ашады, мысалы, медицинада инъекцияларды тиімді енгізу, химияда реакторлардағы сұйықтық ағынын түсіну, немесе машина жасау саласында майлау жүйелерін жетілдіру. Шардың қозғалыс сипатын тереңірек зерттеу арқылы тұрақты жылдамдыққа жету механизмдерінің негізгі заңдылықтары ашылады. Бұл зерттеулер алдағы уақытта инновациялық шешімдерге, материалдардың қасиеттерін жетілдіруге және технологиялар дамуына жол ашатын ғылыми ілгерілеудің негізін құрайды.

Дереккөздер

И. П. Бобров, "Тұтқыр сұйықтар механикасы", Алматы, 2020.

Л. С. Ландау, Е. М. Лифшиць, "Тұтқыр сұйықтар теориясы", Москва, 2018.

А. Қ. Жұмабаев, "Физика негіздері", Нұр-Сұлтан, 2022.

Н. М. Сәбитова, "Биомедицинада сұйықтық механикасын қолдану", Алматы, 2021.

К. А. Төлегенова, "Сұйықтықтардың тұтқырлығы және оның тәжірибедегі мәні", Алматы, 2023.

Иванов И.И. Основы гидромеханики. М.: Наука, 2018.

Петрова А.В. Экспериментальные методы в механике жидкостей. СПб.: Питер, 2020.

Смирнов Ю.Д. Физика для школьников. М.: Просвещение, 2021.

Журнал "Физика и техника", 2023, №4.

Казахстанская академия естественных наук. Сборник научных трудов, 2023.