العصر الذهبي للهيدروديناميكية
يمكن اعتبار سنة ظهور الديناميكا المائية كعلم في عام 1628 ، عندما تم نشر عمل صغير لبينديتو كاستيلي. في ذلك ، على الرغم من الافتراضات الخاطئة الأولية ، شرح لبعض الظواهر الدقيقة لبعض الوقت بدقة أثناء حركة السائل في الأنهار والقنوات. ومع ذلك ، حتى قبل ذلك ، كانت هناك محاولات لدراسة مقاومة الحركة المتوسطة إلى الجسم من قبل علماء مشهورين مثل ليوناردو دافنشي وجاليليو غاليلي. في وقت لاحق ، ساهم نيوتن ، أويلر ، توريسيلي ، برنولي ، دألمبرت وغيرها الكثير مساهمة كبيرة في تطوير الديناميكا المائية.
العلم الحديث يتطور باطراد. وذلك لأن الإنجازات في مجال واحد توفر المواد اللازمة لإنشاء أحدث الأدوات المستخدمة للبحث في مجالات أخرى. لذلك ، سيكون من العدل أن نقول إن "العصر الذهبي" الحقيقي قد حان للديناميكا المائية. في الوقت نفسه ، تغير نهج البحث. في الوقت الحاضر ، تحسنت بشكل كبير طرق الحصول على البيانات التجريبية. إذا تم بناء نظرية في وقت سابق ثم تم تأكيدها أو دحضها بالتجربة ، فالنظرية اليوم تعتمد على مجموعة من القياسات عالية الدقة.
لدراسة تدفقات الصفائح والسوائل المضطربة ، يستخدم معهد ماكس بلانك الآن كاميرا تتكون من مليون إطار في الثانية. كانت الكاميرا السابقة أبطأ 500 مرة واستغرقت 2000 لقطة في الثانية. عند دراسة التدفق المضطرب باستخدام الكاميرات ، يمكن تتبع الآلاف من الجزيئات. يتم تحويل مساراتها وسرعة حركتها إلى صفيف بيانات ، والتي يتم معالجتها بعد ذلك بواسطة تقنية الكمبيوتر القوية. يتيح لك ذلك بناء نماذج رقمية للعمليات وفهم طبيعة مثل هذه الظواهر بشكل أفضل ، على سبيل المثال ، الاضطراب.
دراسة عملية تشكيل القطرات في السحب يمكن أن تحسن بشكل كبير من دقة التنبؤ بالطقس. لهذا الغرض ، تم إنشاء مختبر لمحطة الأبحاث البيئية الألمانية على جبل Zugspitze (2962 م / 918 قدم). على طول مسار السكك الحديدية الذي يبلغ طوله 7 أمتار ، تم تثبيت 4 كاميرات عالية السرعة. عندما تمر السحب عبرها ، تتيح الكاميرات دراسة تفاصيل العمليات التي تحدث في حجم عدة سنتيمترات مكعبة بتفاصيل دقيقة. يلاحظ الباحثون كيف يترابط غبار الماء تحت تأثير الاضطراب في قطرات أكبر.
بمعنى آخر ، فهم يدرسون أصل المطر. لكن العلماء لا يعتزمون التركيز على القدرات الموجودة وهم بالفعل يقومون بتصميم توصيل كاميرات عالية السرعة إلى السحب باستخدام مزيج من طائرة ورقية وبالون.
ما مدى تنوع مجالات تطبيق الديناميكا المائية من خلال أقسامها الرئيسية:
- بيئة مثالية - يدرس هذا القسم سلوك المائع المثالي ، حيث يمكن أن يتجاهل الوصف الاحتكاك الداخلي والتوصيل الحراري وإجهاد القص.
- الهيدروديناميكية للتدفقات الصفحية - يدرس حركة التدفقات المنتظمة دون نبضات وخلط الطبقات.
- الاضطراب هو عملية صعبة للغاية لنموذج. يحدث الاضطراب بانحراف حاد في الضغط والسرعة ودرجة الحرارة والكثافة عن بعض القيم المتوسطة. على سبيل المثال ، في منطقة ركوب الأمواج ، تختلط الموجة العارضة بالهواء لتكوين رغوة. غالبًا ما يشعر ركاب الطائرة بالاهتزاز عندما تدخل طائرة إلى منطقة الاضطرابات. يمكننا أيضا ملاحظة ظاهرة الاضطراب في الماء المغلي. هذا قسم مهم للغاية ، بدونه لن يتم بناء خط أنابيب واحد.
- الهيدروديناميكا الأسرع من الصوت هي قسم محدد يدرس سلوك التدفقات بسرعات تقارب أو تتجاوز سرعة الصوت. السمة الرئيسية لسلوك مثل هذه التدفقات هي حدوث موجات الصدمة.
- انتقال الحرارة والكتلة - يدرس السلوك المعقد للسوائل مع توزيع غير متساو لدرجة الحرارة. في هذه الحالة ، يمكن أن تتغير خصائص الوسط ، مثل الكثافة واللزوجة والتوصيل الحراري ، محليًا.
- الهيدروديناميكا الجيوفيزيائية - تدرس الظواهر الطبيعية على نطاق كوكبي. يشمل ذلك حركة التيارات الهوائية ، والتيارات البحرية والمحيطية ، الدوران في قلب السائل وغير ذلك الكثير.
- الهيدروديناميكا المغناطيسية - يصف حركة السائل الموصّل كهربائيًا في المجال المغناطيسي. بالإضافة إلى ذلك ، يدرس هذا القسم ظواهر فيزياء الفضاء: مشاعل الكروموسفير في الشمس ، أصل الحقول المغناطيسية للمجرات ، البقع الشمسية.
- علم أمراض الأنف - يدرس حركة السوائل غير الخطية ، والتي تشمل المواد الهلامية ، والمعاجين ، والبلاستيكية الكاذبة ، واللزوجة. يستخدم علم الأمراض على نطاق واسع في علم المواد وفي دراسة العمليات الجيوفيزيائية.
- الهيدروديناميكية التطبيقية - يعمل مع مشاكل علمية وتقنية محددة.
تطوير الطباعة النافثة للحبر
واحدة من مجالات تطبيق الهيدروديناميكية هو الطباعة النافثة للحبر. منذ أكثر من 15 عامًا ، تعاونت Océ في هذا المجال مع معهد ماكس بلانك. تدرس مجموعة من العلماء بقيادة البروفيسور ديتليف لوزي العمليات المحيطة بطباعة نفث الحبر لتحديد أقصى سرعة للطباعة. وهذا يعني أن تعريف الحد عندما يصبح حقن الحبر من فتحات رأس الطباعة وتحديد نقاط الضعف على الوسائط غير مستقر.
في الوقت نفسه ، يتم تطوير طرق لتحقيق أقصى قدر من الدعم لنظام الاستقرار.
تستخدم الطباعة النافثة للحبر الحديثة تقنيتين لحقن الحبر. في إحدى الحالات ، يتم لعب دور المكبس ، الذي يدفع قطرة من الحبر من فوهة رأس الطباعة ، بواسطة لوحة بيزو ، وفي الحالة الأخرى ، يتم استخدام فقاعة بخار. تعتبر Canon هي الشركة المصنعة الوحيدة في العالم لتصنيع معدات نفث الحبر باستخدام كلا التقنيتين. في الوقت نفسه ، يتخصص قسم Océ في إنتاج الطابعات مع رؤوس طباعة بيزو الصوتية.
اتخذ Océ الخطوات الأولى في تطوير تقنية نفث الحبر الخاصة به في أوائل التسعينيات من القرن الماضي. تقدر الشركة الإمكانات الهائلة لتكنولوجيا نفث الحبر. على عكس الأنواع الأخرى من الطباعة ، هناك عدد أقل من الأجزاء الدوارة. وهذا يعني أنه مع تقليل الأجزاء ، يتم تقليل التكلفة الأولية للمعدات وتقليل وقت التوقف عن الصيانة. لذلك ، من أجل إنشاء تكنولوجيا نفث الحبر الفريدة الخاصة بنا ، كان من الضروري فهم العمليات الديناميكية للغاز المائي. ثم بدأت تلك الشراكات في التبلور مع معهد ماكس بلانك في غوتنغن (ألمانيا) وجامعة تفينتي (هولندا).
واجه الباحثون الكثير من المشاكل المثيرة للاهتمام التي تتطلب حلاً شاملاً. كان من الضروري مراعاة الخصائص الفيزيائية والضوئية للحبر ، وطريقة حقن القطرات ، وتوصيل الحبر إلى الرأس ، ومعدل تغذية الوسيط المطبوع. تغيير خاصية واحدة فقط يستلزم تعديل والباقي.
مع أوجه التشابه الخارجية بين تقنيات كهرضغطية وفقاعات الفقاعة ، لديهم اختلافات خطيرة ، سواء في العمليات نفسها أو في القدرات. تستخدم تقنية الفقاعة أحبار أساسها المذيبات أو المياه. مبدأ تشغيل هذه الطباعة هو أنه في كل خلية طباعة يوجد عنصر تسخين دقيق. عند تطبيق نبضة كهربائية ، ترتفع درجة حرارة العنصر وتغلي طبقات الحبر المجاورة. في هذه الحالة ، تتشكل فقاعة بخار بشكل حاد. وهو ، بدوره ، يؤدي وظيفة نوع من "المكبس" ، ويدفع جزءًا من الحبر من الفوهة. هنا ، تتجلى جميع ظواهر ديناميات الغاز المائي بالكامل.
في التكنولوجيا الكهروإجهادية ، يتم لعب دور "بوشير" من خلال لوحة كهرضغطية. يغير شكله الهندسي تحت تأثير النبضات الكهربائية. بسبب هذا ، يتم حقن قطرة من الحبر من الفوهة. من خلال تعديل الإشارة المقدمة إلى لوحة كهرضغطية ، من الممكن ضبط حجم الصوت بدقة عالية. هذا يعطي الكثير من مزايا تقنية الطباعة بيزو الصوتية:
- الجرعات الدقيقة يحسن استهلاك الحبر ؛
- يوفر استنساخ دقيق للألوان على جميع المطبوعات ؛
- إمكانية استخدام أحبار خالية من المذيبات (حبر UV ، صلب) ، والتي تتبلور على الفور ولا تحتاج إلى تجفيف ؛
- نتيجة للفقرة السابقة ، تقليل استهلاك الطاقة والقدرة على الطباعة على الوسائط الهامة للحرارة ؛
- سرعة طباعة عالية لا تمحى ومقاومة للاهتراء ؛
- بسبب التبلور الفوري للحبر ، يمكن استخدام أنواع غير مكلفة من الورق كناقل ، نظرًا لأن القطرة مثبتة على سطح الحامل دون امتصاصه.
لا يقتصر البحث في مجال الديناميكا المائية لتقنيات نفث الحبر على قضايا الطباعة. تتيح لك التقنية الحديثة الطباعة على وسائط مختلفة واستخدام العديد من تركيبات الطباعة. حتى يتقن بالفعل الطباعة على الزجاج والخشب والمعادن والبلاستيك. في الآونة الأخيرة نسبيا ، بدأت ممارسة الطباعة بحجم كبير ، مما يتيح لك نقل ليس فقط الألوان ، ولكن أيضا نسيج حجم السطح. وبالتالي ، يصبح من الممكن الطباعة ليس فقط على المواد ، ولكن أيضًا على المادة نفسها. قد تجد التطبيق في رقائق الطباعة أو الطلاء شاشة تعمل باللمس.
على حدود البحوث الأساسية والتطبيقية ، تظهر وجهات نظر جديدة لم تعد رائعة. هناك تشابه كبير بين الخصائص الفيزيائية للدم والحبر. لديهم نفس اللزوجة والسيولة. يبدو ، ما علاقة هذا مع الطباعة النافثة للحبر؟ ولكن ربما تكون هذه هي الخطوات الأولى لطباعة الأنسجة الحية أو حتى أعضاء كاملة.