मुक्त सतह

Not to be confused with Open surface.

नीचे से देखा गया समुद्र की विचलित मुक्त सतह

भौतिकी में, एक मुक्त सतह एक तरल पदार्थ की सतह है जो शून्य समानांतर कतरनी तनाव के अधीन है,

जैसे कि दो सजातीय तरल पदार्थों के बीच इंटरफ़ेस (मामला) पदार्थ)। दो ऐसे सजातीय तरल पदार्थों का एक उदाहरण पानी (तरल) और पृथ्वी के वायुमंडल (गैस मिश्रण) में हवा का शरीर होगा।तरल पदार्थों के विपरीत, गैसें अपने दम पर एक मुक्त सतह नहीं बना सकती हैं।घोल, दानेदार सामग्री और विकट सहित द्रवीकरण/द्रवीकरण ठोस, पाउडर एक मुक्त सतह बना सकते हैं।

एक गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में एक तरल ऊपर से अपुष्ट होने पर एक मुक्त सतह का निर्माण करेगा। यांत्रिक संतुलन के तहत यह मुक्त सतह तरल पर काम करने वाली ताकतों के लिए लंबवत होनी चाहिए;यदि नहीं तो सतह के साथ एक बल होगा, और तरल उस दिशा में बह जाएगा।इस प्रकार, पृथ्वी की सतह पर, तरल पदार्थों की सभी मुक्त सतह क्षैतिज विमान होती है जब तक कि परेशान नहीं होते हैं (ठोस के पास छोड़ने के अलावा, जहां सतह का तनाव एक क्षेत्र में सतह को विकृत करता है जिसे मेनिस्कस (तरल) कहा जाता है)।

एक मुक्त तरल में जो बाहरी बलों से प्रभावित नहीं होता है जैसे कि एक गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र, आंतरिक आकर्षक बल केवल एक भूमिका निभाते हैं (जैसे कि वैन डेर वाल्स फोर्सेस , हाइड्रोजन बांड )।इसकी मुक्त सतह इसकी मात्रा के लिए कम से कम सतह क्षेत्र के साथ आकार ग्रहण करेगी: एक आदर्श क्षेत्र।इस तरह के व्यवहार को सतह के तनाव के संदर्भ में व्यक्त किया जा सकता है।पानी और शराब के मिश्रण की सतह के नीचे रखे गए तेल के एक बड़े ग्लोब्यूल को देखकर प्रयोगात्मक रूप से इसका प्रदर्शन किया जा सकता है, इसलिए तेल को तटस्थ उछाल है।

लहरें

Further information: Ocean surface wave and Airy wave theory

यदि एक तरल की मुक्त सतह विचलित होती है, तो सतह पर तरंगें उत्पन्न होती हैं।ये तरंगें किसी भी लोच (भौतिकी) के कारण लोचदार तरंगें नहीं हैं;हिलाना गुरुत्वाकर्षण तरंग ों के कारण गुरुत्वाकर्षण तरंगों के कारण होते हैं जो परेशान तरल की सतह को उसके क्षैतिज स्तर पर वापस लाते हैं।गति लहर को ओवरशूट (संकेत) का कारण बनता है, इस प्रकार सतह के पड़ोसी भागों में गड़बड़ी को दोलन और फैलाता है।सतह की तरंगों का वेग तरंग दैर्ध्य के वर्गमूल के रूप में भिन्न होता है यदि तरल गहरा है;इसलिए समुद्र पर प्रफुल्लित (महासागर) छोटे लोगों की तुलना में तेजी से बढ़ते हैं।बहुत मिनट की लहरें या तरंगें गुरुत्वाकर्षण के कारण नहीं बल्कि केशिका कार्रवाई के कारण होती हैं, और उनके पास लंबे समय तक समुद्र की सतह की तरंगों से अलग गुण होते हैं,क्योंकि सतह को लहरों द्वारा क्षेत्र में बढ़ाया जाता है और केशिका बल इस मामले में गुरुत्वाकर्षण बलों की तुलना में बड़े होते हैं। केशिका तरंगों को उप-सतह चिपचिपाहट और सतह rheology द्वारा दोनों को नम किया जाता है।

रोटेशन

एक घूर्णन पोत में एक तरल की मुक्त सतह एक ठोस अनुवृत्त है

यदि एक तरल एक बेलनाकार पोत में समाहित है और सिलेंडर के अक्ष के साथ मेल खाने वाले एक ऊर्ध्वाधर अक्ष के चारों ओर घूम रहा है, तो मुक्त सतह एक पराबोलॉइड के रूप में जानी जाने वाली क्रांति की एक परवलयिक सतह को ग्रहण करेगी।प्रत्येक बिंदु पर मुक्त सतह उस पर अभिनय करने वाले बल के लिए एक समकोण पर है, जो कि एक सर्कल में प्रत्येक बिंदु की गति से गुरुत्वाकर्षण के बल और केन्द्रापसारक बल का परिणाम है। चूंकि एक दूरबीन में मुख्य दर्पण परवलयिक होना चाहिए, इसलिए इस सिद्धांत का उपयोग तरल-दर्शक दूरबीन बनाने के लिए किया जाता है।

बेलनाकार निर्देशांक में Z दिशा में तरल घूर्णन से भरे एक बेलनाकार कंटेनर पर विचार करें, गति के समीकरण हैं:

${\frac {\partial P}{\partial r}}=\rho r\omega ^{2},\quad {\frac {\partial P}{\partial \theta }}=0,\quad {\frac {\partial P}{\partial z}}=-\rho g,$

कहां $P$ दबाव है, $\rho$ द्रव का घनत्व है, $r$ सिलेंडर का त्रिज्या है, $\omega$ कोणीय आवृत्ति है, और $g$ गुरुत्वाकर्षण त्वरण है।निरंतर दबाव की सतह लेना $(dP=0)$ कुल अंतर बन जाता है

$dP=\rho r\omega ^{2}dr-\rho gdz\to {\frac {dz_{\text{isobar}}}{dr}}={\frac {r\omega ^{2}}{g}}.$

एकीकृत, मुक्त सतह के लिए समीकरण बन जाता है

$z_{s}={\frac {\omega ^{2}}{2g}}r^{2}+h_{c},$

कहां $h_{c}$ रोटेशन के अक्ष के साथ कंटेनर के नीचे से मुक्त सतह की दूरी है।यदि कोई मुक्त सतह द्वारा गठित पराबोलॉइड की मात्रा को एकीकृत करता है और फिर मूल ऊंचाई के लिए हल करता है, तो एक बेलनाकार कंटेनर के केंद्र रेखा के साथ द्रव की ऊंचाई पा सकता है:

$h_{c}=h_{0}-{\frac {\omega ^{2}R^{2}}{4g}}.$

किसी भी दूरी पर मुक्त सतह का समीकरण $r$ केंद्र से बन जाता है

$z_{s}=h_{0}-{\frac {\omega ^{2}}{4g}}(R^{2}-2r^{2}).$

यदि एक मुक्त तरल एक अक्ष के बारे में घूम रहा है, तो मुक्त सतह एक ओब्लेट गोलाकार का आकार लेगी: इसके भूमध्यरेखीय उभार के कारण पृथ्वी का अनुमानित आकार।

संबंधित शब्द

• जल-गत्यात्मकता में, मुक्त सतह को मुक्त-सतह की स्थिति द्वारा गणितीय रूप से परिभाषित किया जाता है, यानी, दबाव पर व्युत्पन्न सामग्री शून्य है:
  $${\frac {Dp}{Dt}}=0.$$
• द्रव की गतिशीलता में, एक मुक्त-सतह भंवर , जिसे एक संभावित भंवर या भँवर के रूप में भी जाना जाता है, एक अप्रिय प्रवाह में रूपों में, उदाहरण के लिए जब एक बाथटब सूखा होता है।
• नौसेना वास्तुकला और समुद्री सुरक्षा में, मुक्त सतह का प्रभाव तब होता है जब आंशिक रूप से भरे हुए टैंकों में एक मुक्त सतह के नीचे तरल या दानेदार सामग्री या पोत की ऊँची एड़ी (नौकायन) में शिफ्ट हो जाता है।टीपी 10038 |समुद्री सुरक्षा>"मुक्त सतह प्रभाव - स्थिरता". Retrieved 2007-12-02. आंशिक रूप से भरे हुए टैंक या मछली पकड़ में, सामग्री नाव के आंदोलन के साथ शिफ्ट हो जाएगी।यह "मुक्त सतह" प्रभाव कैपिंग के खतरे को बढ़ाता है।</ref>
• हाइड्रोलिक इंजीनियरिंग में एक फ्री-सतह जेट (द्रव) वह है जहां जेट के बाहर द्रव का प्रवेश न्यूनतम होता है, जैसा कि जलमग्न जेट के विपरीत होता है जहां प्रवेश प्रभाव महत्वपूर्ण होता है।हवा में एक तरल जेट एक मुक्त सतह जेट का अनुमान लगाता है।

रेफ नाम=सूर्यनारायण>Suryanarayana, N. V. (2000). "3.2.2 Forced Convection - External Flows". In Kreith, Frank (ed.). थर्मल इंजीनियरिंग की सीआरसी हैंडबुक (मैकेनिकल इंजीनियरिंग). Berlin: Springer-Verlag and Heidelberg. pp. 3–44. ISBN 3-540-66349-5. फ्री-सतह जेट में-हवा के एक वातावरण में एक तरल जेट एक मुक्त-सतह जेट के लिए एक अच्छा सन्निकटन है-प्रवेश प्रभाव आमतौर पर नगण्य है ...</ref>

• द्रव यांत्रिकी में एक मुक्त सतह प्रवाह , जिसे ओपन-चैनल प्रवाह भी कहा जाता है, एक मुक्त सतह के नीचे एक तरल पदार्थ का गुरुत्वाकर्षण चालित प्रवाह है, आमतौर पर वायुमंडल में हवा के नीचे बहने वाला पानी।

रेफ नाम = व्हाइट 2>White, Frank M. (2000). "2.5 Open Channel Flow". In Kreith, Frank (ed.). थर्मल इंजीनियरिंग की सीआरसी हैंडबुक (मैकेनिकल इंजीनियरिंग). Berlin: Springer-Verlag and Heidelberg. pp. 2–61. ISBN 3-540-66349-5. शब्द ओपन चैनल प्रवाह एक मुक्त सतह के साथ एक तरल के गुरुत्वाकर्षण-चालित प्रवाह को दर्शाता है।</ref>

यह भी देखें

• मुक्त सतह प्रभाव
• सतह तनाव
• लेजर-हीटेड पेडस्टल ग्रोथ
• तरल स्तर
• स्प्लैश (द्रव यांत्रिकी)
• स्लॉश डायनेमिक्स
• Riabouchinsky ठोस
• मुक्त सतह प्रवाह के लिए कम्प्यूटेशनल तरीके

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