น้ำวน

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
เส้นทางผ่านของอนุภาคของไหลรอบแกน (เส้นประ) ของกระแสน้ำวนในอุดมคติที่ไหลโดยไม่มีการหมุน (ideal irrotational vortex) (ดู animation)
กระแสน้ำวนของรูระบายน้ำของอ่างล้างมือ (Plughole Vortex)

ในพลศาสตร์ของไหล, กระแสน้ำวน (vortex) เป็นพื้นที่ภายในของไหลที่ไหลโดยการเคลื่อนที่ด้วยการหมุนรอบแกนสมมุติในแนวเส้นตรงหรือเส้นโค้ง รูปแบบของการเคลื่อนที่นั้นเรียกว่าการไหลวน (vortical flow) [1][2] (พหูพจน์เดิมและที่พบมากที่สุดของคำว่า "น้ำวน" คือ vortices, [3] แม้ว่าคำว่า vortexes มักจะถูกใช้บ่อยก็ตาม [4])

น้ำวน อยู่ในรูปแบบของของไหลที่ถูกกวนเข้าด้วยกันรวมทั้งของเหลว ก๊าซ และพลาสมา บางตัวอย่างส่วนใหญ่จะเป็นวงแหวนควัน (smoke rings), แอ่งน้ำวน (whirlpools) มักจะเห็นได้บ่อย ๆ จากร่องรอยทางผ่าน (wake) ของเรือและใบพาย, และลมบริเวณพื้นที่โดยรอบพายุทอร์นาโด, เฮอริเคนและพายุฝุ่น (dust devils) กระแสลมวนในรูปแบบของร่องรอยทางผ่านของเครื่องบินและการมีคุณลักษณะที่โดดเด่นของชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัสบดี เป็นต้น

น้ำวน เป็นองค์ประกอบที่สำคัญของการไหลแบบปั่นป่วน (turbulent flow) ในกรณีที่ไม่มีแรงภายนอก ความฝืดหนืด (viscous friction) ภายในของไหลมีแนวโน้มที่จะจัดระเบียบการไหลเข้าในกลุ่มที่เรียกว่า น้ำวนที่ไหลโดยไม่หมุน (vortices irrotational) การไหลโดยไม่หมุน (Irrotational flow) คือ ในบริเวณโดยรอบจุดหนึ่งๆ ในของไหล จะไม่มีอนุภาคของของไหลเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วเชิงมุมรอบจุดนั้นๆ เลย [5] ภายในน้ำวนนั้น, ความเร็วของเหลวเป็นสิ่งที่สำคัญที่สุดถัดไปจากแกนจินตภาพหรือแกนสมมุติ และจะลดลงเป็นสัดส่วนผกผันกับระยะทางจากแกน การหมุนวน (vorticity) (ขดความเร็วของของเหลว) มีค่าสูงมากในอาณาบริเวณหลักโดยรอบแกน, และเกือบจะเป็นศูนย์ในส่วนที่เหลือของกระแสน้ำวน; ในขณะที่ความดันลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อเข้าไปใกล้เป็นระยะทางหนึ่งในบริเวณนั้น

น้ำวนที่เกิดขึ้นครั้งหนึ่ง, สามารถเคลื่อนย้าย, ยืดตัว, บิดเป็นเกลียว และมีปฏิสัมพันธ์กันในรูปแบบที่ซับซ้อน การเคลื่อนที่ของน้ำวนจะนำพาซึ่งโมเมนตัมเชิงมุมและเชิงเส้น, พลังงาน, และมวลมาด้วย ในน้ำวนนิ่ง, เส้นกระแส (streamlines) และเส้นทางผ่าน (pathlines) จะถูกปิด

คุณสมบัติ[แก้]

เมฆคอนเทรล (contrail) [6] ที่มีความไม่เสถียรแบบคราว (Crow Instability) แสดงให้เห็นถึงกระแสของการไหลวน

รูปแบบการหมุนวน[แก้]

การหมุนวนในกระแสน้ำวนขึ้นอยู่กับว่าอัตราเร็ว v ของอนุภาคแตกต่างกันไปเป็นระยะ R จากแกนเท่าใด

  • ถ้าของไหลหมุนเหมือนกับเป็นวัตถุแข็งเกร็ง (rigid body) - นั่นคือถ้า v เพิ่มขึ้นตามสัดส่วนเดียวกับ r - ลูกบอลกลมเล็ก ๆ ที่สมมุติเปรียบเทียบให้ดำเนินการโดยการไหลของของไหลนี้ก็จะหมุนวนรอบจุดศูนย์กลางราวกับว่ามันเป็นส่วนหนึ่งของวัตถุที่แข็งเกร็งนั้น
Rotational vortex.gif
Rotational (rigid-body) vortex
\vec \omega_{vorticity}=\frac{v_{\theta}}{r}+\frac{dv_{\theta}}{dr}=2\vec \omega_{ang. velocity}
  • ถ้าอัตราเร็ว v ของอนุภาคแปรผกผันกับระยะทาง r แล้วลูกบอลกลมทดสอบในจินตนาการนี้จะไม่หมุนไปมากเกินกว่าตัวของมันเอง; มันจะรักษาแนวทิศทางการวางตัวให้อยู่ในลักษณะแบบเดียวกันในขณะที่กำลังเคลื่อนที่เป็นวงกลมไปรอบ ๆ เส้นกระแสน้ำวน

ดูเพิ่ม[แก้]

อ้างอิง[แก้]

หมายเหตุ[แก้]

  1. Ting, L. (1991). Viscous vortical flows. Lecture notes in physics. Springer-Verlag. ISBN 3-540-53713-9. 
  2. Kida, Shigeo (2001). "Life, Structure, and Dynamical Role of Vortical Motion in Turbulence". IUTAM Symposium on Tubes, Sheets and Singularities in Fluid Dynamics. Zakopane, Poland. 
  3. The Oxford English Dictionary
  4. The Merriam Webster Collegiate Dictionary
  5. พลศาสตร์ของไหล, ฟิสิกส์ราชมงคล, http://www.rmutphysics.com/charud/oldnews/0/286/15/9/Fluid/fluiddynamic.htm
  6. http://www.gotoknow.org/posts/440674

อื่น ๆ[แก้]