قوة التيار

📅 آخر تحديث: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 26 صور
الموسوعة الحرة

قوة التيار ، التي اشتقها آر. إيه. باغنولد في ستينيات القرن الماضي، هي مقدار الطاقة التي يبذلها الماء في النهر أو المجرى المائي على جوانبه وقاعه. [ 1 ] وتنتج قوة التيار عن ضرب كثافة الماء، وتسارع الماء بفعل الجاذبية، وحجم الماء المتدفق عبر النهر، وميل هذا الماء. توجد صيغ عديدة لحساب قوة التيار، ولكل منها استخداماتها المختلفة، مثل مقارنة الأنهار ذات العروض المختلفة أو تحديد كمية الطاقة اللازمة لتحريك رواسب ذات حجم معين. ترتبط قوة التيار ارتباطًا وثيقًا بمعايير أخرى مثل كفاءة المجرى وإجهاد القص . تُعد قوة التيار مقياسًا قيّمًا لعلماء الهيدرولوجيا وعلماء الجيومورفولوجيا الذين يتناولون قضايا نقل الرواسب، وكذلك للمهندسين المدنيين الذين يستخدمونها في تخطيط وإنشاء الطرق والجسور والسدود والعبارات.

تاريخ

على الرغم من أن العديد من المؤلفين قد اقترحوا استخدام معادلات القوة في نقل الرواسب في العقود التي سبقت أعمال باغنولد، [ 2 ] [ 3 ] بل إن باغنولد نفسه اقترحها قبل عقد من الزمن من تطبيقها عمليًا في أحد أعماله الأخرى، [ 4 ] إلا أنه لم يتم اختبار هذه النظرية تجريبيًا إلا في عام 1966 من قبل آر. إيه. باغنولد للتحقق من صحتها. [ 1 ] وقد تكللت هذه التجربة بالنجاح، ومنذ ذلك الحين، ظهرت العديد من الاختلافات والتطبيقات لقوة التيار. وقد أدى غياب معايير ثابتة لتعريف قوة التيار في تلك المرحلة المبكرة إلى نشر العديد من المؤلفين أعمالًا تحت مسمى "قوة التيار" دون قياسها دائمًا بنفس الطريقة. أدى ذلك إلى جهودٍ غير ناجحة جزئيًا لوضع اصطلاحات تسمية لأشكال الصيغة المختلفة من قِبل رودز بعد عقدين من الزمن في عام 1986. [ 5 ] [ 6 ] ولا تزال قوة التيار تُستخدم حتى اليوم، ويجري اكتشاف وبحث طرق جديدة لتطبيقها، مع دمجها على نطاق واسع في النماذج العددية الحديثة التي تستخدم المحاكاة الحاسوبية . [ 5 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]

الاشتقاق

يمكن استنتاج ذلك من حقيقة أنه إذا لم يكن الماء يتسارع وظل المقطع العرضي للنهر ثابتًا (وهي افتراضات جيدة عمومًا لمتوسط ​​امتداد مجرى مائي على مسافة معقولة)، فإن كل طاقة الوضع المفقودة أثناء تدفق الماء باتجاه المصب يجب أن تُستهلك في الاحتكاك أو الشغل المبذول على قاع النهر: لا يمكن إضافة أي منها إلى الطاقة الحركية . لذلك، فإن انخفاض طاقة الوضع يساوي الشغل المبذول على القاع والضفاف، وهو ما يُعرف بقدرة التيار.

نعلم أن التغير في الطاقة الكامنة مقسوماً على التغير في الزمن يُعطى بالمعادلة التالية:

ΔPهـΔت=مزΔzΔت{\displaystyle {\frac {\Delta PE}{\Delta t}}=mg{\frac {\Delta z}{\Delta t}}}

حيث تكون كتلة الماء وتسارع الجاذبية ثابتين. يمكننا استخدام ميل القناة وسرعة التيار كبديل لـΔz/Δت{\displaystyle {\Delta z}/{\Delta t}}سيفقد الماء ارتفاعه بمعدل يُحدده المكون الهابط للسرعة.uz{\displaystyle u_{z}}بالنسبة لميل القناة (كما تم قياسه من المستوى الأفقي)α{\displaystyle \alpha }:

ΔzΔت=uz=uالخطيئة⁡(α)≈uS{\displaystyle {\frac {\Delta z}{\Delta t}}=u_{z}=u\sin(\alpha )\approx uS}

أينu{\displaystyle u}تمثل سرعة التدفق في اتجاه المصب . ويُلاحظ أنه بالنسبة للزوايا الصغيرة،الخطيئة⁡(α)≈لون برونزي⁡(α)=S{\displaystyle \sin(\alpha )\approx \tan(\alpha )=S}بإعادة كتابة المعادلة الأولى، نحصل الآن على:

ΔPهـΔت=مزuS{\displaystyle {\frac {\Delta PE}{\Delta t}}=mguS}

مع الأخذ في الاعتبار أن القدرة هي الطاقة لكل وحدة زمنية، وباستخدام التكافؤ بين العمل المنجز ضد السرير وفقدان الطاقة الكامنة، يمكننا كتابة ما يلي:

Ω=ΔPهـΔت{\displaystyle \Omega ={\frac {\Delta PE}{\Delta t}}}

وأخيرًا، نعلم أن الكتلة تساوي الكثافة مضروبة في الحجم. ومن هذا، يمكننا إعادة كتابة الكتلة على الجانب الأيمن.

م=ρLبح{\displaystyle m=\rho Lbh}

أينL{\displaystyle L}هو طول القناة،ب{\displaystyle b}يمثل عرض القناة ( العرض b )، وح{\displaystyle h}يمثل عمق القناة ( ارتفاع القناة ). نستخدم تعريف التصريف.

سؤال=uبح{\displaystyle Q=ubh}

أينأ{\displaystyle A}تمثل مساحة المقطع العرضي، والتي يمكن تقريبها بشكل معقول على هيئة مستطيل ذي عرض وعمق مميزين. وهذا يستوعب السرعة والعرض والعمق. نُعرّف قدرة التيار لكل وحدة طول قناة، بحيث يصبح هذا الحد مساويًا لـ 1، وبذلك يكتمل الاشتقاق.

Ω=ρزسؤالL1S{\displaystyle \Omega =\rho gQ{\cancelto {1}{L}}S}

أشكال متنوعة

(إجمالي) طاقة التيار

قدرة التيار هي معدل تبديد الطاقة على قاع وضفاف النهر أو المجرى المائي لكل وحدة طول باتجاه المصب. ويتم حسابها بالمعادلة التالية:

Ω=ρزسؤالS{\displaystyle \Omega =\rho gQS}

حيث Ω هي قدرة التيار، وρ هي كثافة الماء (1000  كجم/م 3 )، وg هي تسارع الجاذبية الأرضية (9.8  م/ث 2 )، وQ هي التصريف (م 3 /ث)، و S هو ميل القناة . [ 5 ]

إجمالي قوة التيار

يشير مصطلح "إجمالي طاقة التيار" عادةً إلى طاقة التيار فحسب، لكن بعض المؤلفين يستخدمونه كمعدل تبديد الطاقة على قاع وضفاف النهر أو المجرى المائي لكل وحدة طولية من المجرى. ويُعطى بالمعادلة التالية:

تيoتأل sترهـأم صowهـر=Ω L{\displaystyle Total\ stream\ power=\Omega \ L}

حيث Ω هي قدرة التيار لكل وحدة طول في اتجاه المصب، وL هو طول التيار. [ 7 ] [ 5 ]

وحدة (أو طاقة تيار محددة)

تُعرَّف قدرة التيار الوحدوية بأنها قدرة التيار لكل وحدة عرض قناة، ويتم حسابها بالمعادلة التالية:

ω=ρزسؤالSب{\displaystyle \omega ={\frac {\rho gQS}{b}}}

حيث ω هي قدرة التيار الأساسية، و b هو عرض القناة. يسمح توحيد قدرة التيار بعرض النهر بمقارنة أفضل بين الأنهار ذات العروض المختلفة. [ 5 ] كما يوفر هذا تقديرًا أدق لقدرة النهر على حمل الرواسب، إذ أن الأنهار العريضة ذات قدرة التيار العالية تُمارس قوة أقل لكل وحدة مساحة سطحية مقارنةً بنهر ضيق له نفس قدرة التيار، حيث تفقد الأنهار العريضة نفس كمية الطاقة، ولكن في النهر الضيق تتركز الطاقة في مساحة أصغر.

طاقة تيار الوحدة الحرجة

تُعرف القدرة الحرجة لوحدة التيار بأنها مقدار القدرة اللازمة لإزاحة حبة ذات حجم محدد، ويتم حسابها بالمعادلة التالية:

ω0=τ0ν0{\displaystyle \omega _{0}=\tau _{0}\nu _{0}}

حيث τ 0 هو إجهاد القص الحرج لحجم الحبيبات التي سيتم تحريكها، والذي يمكن إيجاده في المراجع أو تحديده تجريبياً، بينما v 0 هي سرعة التعبئة الحرجة . [ 10 ] [ 11 ]

العلاقات مع المتغيرات الأخرى

حجم الرواسب المزاحة

يمكن استخدام القدرة الحرجة للتيار لتحديد كفاءة التيار في النهر، وهي مقياس لتحديد أكبر حجم للرواسب التي سينقلها النهر. في الأنهار ذات أحجام الرواسب الكبيرة، يمكن اختزال العلاقة بين القدرة الحرجة للتيار وقطر الرواسب المزاحة إلى: [ 12 ] [ 13 ]

ω0=0.030دأنا1.69{\displaystyle \omega _{0}=0.030D_{i}^{1.69}}

بينما في الأنهار متوسطة الحجم، وُجد أن العلاقة تتبع ما يلي: [ 12 ]

ω0=0.130دأنا1.438{\displaystyle \omega _{0}=0.130D_{i}^{1.438}}

إجهاد القص

يُعد إجهاد القص متغيرًا آخر يُستخدم في نماذج التعرية ونقل الرواسب، وهو يمثل القوة المؤثرة على سطح ما بواسطة قوة عمودية، ويمكن حسابه باستخدام الصيغة التالية

τ=حSρز{\displaystyle \tau =hS\rho g}

حيث τ هو إجهاد القص، وS هو ميل سطح الماء، وρ هي كثافة الماء (1000  كجم/م³ ) ، وg هي تسارع الجاذبية الأرضية (9.8  م/ث² ) . [ 14 ] يمكن استخدام إجهاد القص لحساب قدرة التيار الوحدوي باستخدام الصيغة التالية:

ω=τ V{\displaystyle \omega =\tau \ V}

حيث V هي سرعة الماء في التيار. [ 14 ]

التطبيقات

تطور المناظر الطبيعية

مثال على خريطة تعرض مؤشر قوة التيار (SPI) إلى جانب مؤشر يوضح مدى رطوبة الأرض (TWI).

تُستخدم قوة التيار على نطاق واسع في نماذج تطور التضاريس ونحت الأنهار. وغالبًا ما تُستخدم وحدة قوة التيار لهذا الغرض، لأن النماذج البسيطة تستخدم وتُطور مقطعًا جانبيًا أحادي البعد لقناة النهر باتجاه المصب. كما تُستخدم أيضًا فيما يتعلق بهجرة قناة النهر ، وفي بعض الحالات تُطبق على نقل الرواسب . [ 1 ]

التنبؤ بتكوين السهول الفيضية

من خلال رسم قوة التيار على طول مجرى النهر كمنحنى أسي من الدرجة الثانية، يمكنك تحديد المناطق التي قد تتشكل فيها سهول الفيضانات وأسباب تشكلها هناك. [ 15 ]

الحساسية للتآكل

استُخدمت قوة التيار أيضًا كمعيار لتحديد ما إذا كان النهر في حالة إعادة تشكيل أو ما إذا كان مستقرًا. وقد وجدت دراسات متعددة قيمة لقوة التيار تتراوح بين 30 و35 واط/م² يحدث عندها هذا الانتقال. [ 7 ] [ 16 ] [ 17 ] وهناك تقنية أخرى تكتسب شعبية متزايدة، وهي استخدام تدرج قوة التيار من خلال مقارنة قوة التيار في المنبع بقوة التيار المحلية (Δω=ωلoجأل-ωuصsترهـأم{\displaystyle \Delta \omega =\omega _{local}-\omega _{upstream}}تساعد هذه الخصائص، التي تُستخدم لتحديد أنماط مثل القفزات المفاجئة أو الانخفاضات في قوة التيار، في تحديد المواقع التي تتحكم فيها التضاريس المحلية في التدفق أو تتسع، بالإضافة إلى المناطق المعرضة للتآكل. [ 7 ] [ 8 ]

تصميم الجسور والعبارات

يمكن استخدام قوة التيار كمؤشر على الأضرار المحتملة التي قد تلحق بالجسور نتيجة هطول الأمطار الغزيرة، وكيفية تصميم الجسور لتكون متينة بما يكفي لتجنب الأضرار خلال هذه الظروف. [ 9 ] كما يمكن استخدام قوة التيار لتوجيه تصميم العبارات والجسور للحفاظ على بنية مجرى النهر بشكل سليم، بحيث تتمكن الأسماك من مواصلة عبوره دون حدوث أي عمليات تآكل. [ 18 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 باغنولد، رالف أ. (1966). "مقاربة لمشكلة نقل الرواسب من منظور الفيزياء العامة" . ورقة بحثية . doi : 10.3133/pp422i . hdl : 2027/uc1.31210020748099 . ISSN 2330-7102 . 
  2. ↑ روبي، دبليو دبليو (1933). "شروط التوازن في الجداول المحملة بالحطام" . معاملات الاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي . 14 (1): 497. doi : 10.1029/tr014i001p00497 . ISSN 0002-8606 . 
  3. ↑ كناب، روبرت ت. (1938). "توازن الطاقة في تدفقات الأنهار الحاملة للأحمال المعلقة" . معاملات الاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي . 19 (1): 501. doi : 10.1029/tr019i001p00501 . ISSN 0002-8606 . 
  4. ↑ باغنولد، رالف أ. (18 ديسمبر 1956). "تدفق الحبيبات غير المتماسكة في السوائل" . المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية في لندن. السلسلة أ، العلوم الرياضية والفيزيائية . 249 (964): 235-297 . doi : 10.1098/rsta.1956.0020 . ISSN 0080-4614 . S2CID 124012787 .  
  5. 1 2 3 4 5 غارتنر، جون (2016-01-01). "طاقة التيارات المائية: الأصول، والتطبيقات الجيومورفولوجية، وإجراءات نظم المعلومات الجغرافية" . منشورات المياه .
  6. ↑ رودز، بروس ل. (مايو 1987). "مصطلحات قوة التيار" . الجغرافي المحترف . 39 (2): 189-195 . doi : 10.1111/j.0033-0124.1987.00189.x . ISSN 0033-0124 . 
  7. 1 2 3 4 بيزي، س.؛ ليرنر، د.ن. (يناير 2015). "استخدام قوة التيار كمؤشر على حساسية القناة لعمليات التعرية والترسيب: قوة التيار كمؤشر على التعرية والترسيب" . أبحاث وتطبيقات الأنهار . 31 (1): 16-27 . doi : 10.1002/rra.2717 . S2CID 129164405 . 
  8. 1 2 جارتنر، جون د.؛ ديد، وليام ب. رينشو، كارل E.؛ ماجيليجان، فرانسيس J.؛ بوراس، إيريك م. (نوفمبر 2015). "تؤثر التدرجات في قوة التيار على تدفق الرواسب الجانبية والمصب في الفيضانات" . الجيولوجيا . 43 (11): 983-986 . دوى : 10.1130 / G36969.1 . ISSN 0091-7613 . 
  9. 1 2 أندرسون، إيان؛ ريزو، دونا م.؛ هيوستن، درايفر ر.؛ ديوولكار، ماندر م. (مايو 2017). "تطبيق طاقة التيار لرسم خرائط احتمالية تلف الجسور بناءً على أدلة تجريبية من العاصفة الاستوائية إيرين" . مجلة هندسة الجسور . 22 (5): 05017001. doi : 10.1061/(ASCE)BE.1943-5592.0001022 . ISSN 1084-0702 . 
  10. ↑ ويلكوك، بيتر ر. (أبريل 1993). "إجهاد القص الحرج للرواسب الطبيعية" . مجلة الهندسة الهيدروليكية . 119 (4): 491-505 . doi : 10.1061/(asce)0733-9429(1993)119:4(491) . ISSN 0733-9429 . 
  11. ↑ بيتي، ف.؛ غوب، ف.؛ هوبرختس، ج.؛ أساني، أ.أ. (2005-07-01). "القدرة النوعية الحرجة للتيار في الأنهار ذات القاع الحصوي" . علم شكل الأرض . 69 (1): 92-101 . doi : 10.1016/j.geomorph.2004.12.004 . ISSN 0169-555X . 
  12. 1 2 بيتي، ف.؛ غوب، ف.؛ هوبرختس، ج.؛ أساني، أ.أ. (2005-07-01). "القدرة النوعية الحرجة للتيار في الأنهار ذات القاع الحصوي" . علم شكل الأرض . 69 (1): 92-101 . doi : 10.1016/j.geomorph.2004.12.004 . ISSN 0169-555X . 
  13. ↑ كوستا، جون إي. (1983-08-01). "إعادة بناء الهيدروليكا القديمة لذروات الفيضانات المفاجئة من رواسب الصخور في سلسلة جبال كولورادو فرونت رينج" . نشرة الجمعية الجيولوجية الأمريكية . 94 (8): 986-1004 . doi : 10.1130/0016-7606(1983)94 < 986:PROFPF > 2.0.CO ; 2. ISSN 0016-7606 . 
  14. 1 2 غارتنر، جون (2016-01-01). "قوة التيارات المائية: الأصول والتطبيقات الجيومورفولوجية وإجراءات نظم المعلومات الجغرافية" . منشورات المياه .
  15. ↑ جاين، ف.؛ فرايرز، ك.؛ بريرلي، ج. (1 يناير 2008). "أين تبدأ السهول الفيضية؟ دور قوة التيار الكلية وشكل المقطع الطولي في عمليات بدء السهول الفيضية" . نشرة الجمعية الجيولوجية الأمريكية . 120 ( 1-2 ): 127-141 . doi : 10.1130/B26092.1 . ISSN 0016-7606 . 
  16. ↑ أور، إتش جي؛ لارج، إيه آر جي؛ نيوسون، إم دي؛ والش، سي إل (أغسطس 2008). "تصنيف تنبؤي لتوصيف الهيدرومورفولوجيا" . علم شكل الأرض . 100 ( 1-2 ): 32-40 . doi : 10.1016/j.geomorph.2007.10.022 .
  17. ↑ بروكس، أندرو (1987). "توزيع وإدارة المجاري المائية المُقنّاة في الدنمارك" . الأنهار المُنظّمة: البحث والإدارة . 1 (1): 3-16 . doi : 10.1002/rrr.3450010103 . ISSN 1099-1646 . 
  18. ↑ كوسيكي، أندريه ج.؛ ديفيس، ستانلي ر. (يناير 2001). "مراعاة مورفولوجيا مجرى النهر في تصميم العبارات والجسور" . سجل أبحاث النقل: مجلة مجلس أبحاث النقل . 1743 (1): 57-59 . doi : 10.3141/1743-08 . ISSN 0361-1981 . S2CID 109792586 .