مبدأ الكومة الفولتية

في ميكانيكا الاستمرارية ينص مبدأ حفظ الكتلة على أن كتلة النظام المغلق يجب أن تظل ثابتة بمرور الزمن. بالنسبة إلى المائع، يُعبَّر عن ذلك بمعادلة الاستمرارية. في صورتها التفاضلية الأوليرية، تُكتب المعادلة على الصورة [latex]\frac{\الجزئي \rho}{\الجزئي t} + \nنبلا \cdot (\rho \mathbf{u}) = 0[latex]P4T، حيث [latex]\rho[/latex] هي الكثافة و[latex]\mathbf{u}[/latex] هو مجال السرعة.

إعادة صياغة للميكانيكا الكلاسيكية استنادًا إلى مبدأ الحركة الثابتة. وهي تستخدم كمية قياسية تسمى لاغرانجيان (Lagrangian)، وتُعرَّف بأنها طاقة الحركة ناقص طاقة الوضع ([latex]L = T - V[/latex]). تُشتق معادلات الحركة من معادلة أويلر-لاغرانج، [latex]\frac{d}{dt} \Lft( \frac{\partial L}{\partial \dot{q}_i} \right) - \frac{\partial L}{\partial q_i} = 0[/latex]، باستخدام الإحداثيات المعممة، مما يبسط تحليل الأنظمة المعقدة ذات القيود.

التآكل الجلفاني هو عملية كهروكيميائية حيث يتآكل أحد الفلزات بشكل تفضيلي عند التلامس الكهربائي مع فلز آخر في وجود إلكتروليت. ويحدث ذلك لأن الفلزين غير المتشابهين يكوِّنان زوجاً ثنائي المعدن، حيث يعمل الفلز الأقل نبلاً (الأكثر نشاطاً) كأنبوب أنود ويتآكل، بينما يعمل الفلز الأكثر نبلاً ككاثود.

أسست الكومة الفولتية مبدأ إضافة الفولتية عن طريق توصيل الخلايا الكهروكيميائية على التوالي. يولد كل زوج من الزنك والنحاس، أو خلية، قوة دافعة كهرومغناطيسية مميزة (EMF) تبلغ 0.76 فولت تقريبًا. من خلال تكديس هذه الخلايا فيزيائيًا، أثبت فولتا أن الجهد الكلي عبر الكومة هو مجموع القوى الدافعة الكهرومغناطيسية الفردية لكل خلية، كما هو موضح في [latex]V_TV_{total} = n \times V_{cell}[/latex].

يُعامل افتراض الاستمرارية السوائل كمادة متصلة، لا كجزيئات منفصلة. ويُطبّق هذا التبسيط عندما يكون مقياس طول المسألة أكبر بكثير من المسافة بين الجزيئات، مما يسمح بتحديد خصائص مثل الكثافة والسرعة عند نقاط متناهية الصغر. وهذا يُمكّن من استخدام المعادلات التفاضلية لوصف السلوك العياني لتدفق السوائل.

إن موتر إجهاد كاوتشي، الذي يُرمز إليه بـ[latex]\boldsymbol{\sigma}[/latex]، هو موتر من الدرجة الثانية يُعرِّف تمامًا حالة الإجهاد عند نقطة داخل مادة ما. وهي تربط متجه الجر (القوة لكل وحدة مساحة) [latex]\mathbf{T}[/latex] على أي سطح يمر عبر تلك النقطة بالمتجه العمودي للسطح [latex]\mathbf{n}[/latex] عبر العلاقة الخطية [latex]\mathbf{T} = \boldsymbol{\sigma} \cdot \mathbf{n}[/latex].

ميكانيكا الموائع هي فرع من فروع الميكانيكا التطبيقية، تُعنى بدراسة سكون السوائل (السوائل الساكنة) وحركتها (السوائل المتحركة). تُطبّق ميكانيكا الموائع مبادئ أساسية للكتلة والزخم وحفظ الطاقة لتحليل سلوك الموائع والتنبؤ به. وتتنوع تطبيقاتها، من الديناميكا الهوائية والهيدروليكا إلى الأرصاد الجوية وعلم المحيطات.

هناك طريقتان لوصف الحركة في ميكانيكا الاستمرارية:

• تتبع مواصفات لاغرانج جزيئات المواد الفردية، وتتبع خصائصها بمرور الوقت، مثل مراقبة سيارة معينة في حركة المرور
• تركز المواصفات الأويلريّة على نقاط ثابتة في الفضاء، ومراقبة خصائص (السرعة، الكثافة) لأي جسيمات تمر عبر تلك النقاط، مثل كاميرا المرور التي تراقب تقاطعًا ثابتًا.

ميكانيكا المواد الصلبة فرع من ميكانيكا المتصلات، يدرس سلوك المواد الصلبة، وخاصةً حركتها وتشوهها تحت تأثير القوى، وتغيرات درجة الحرارة، أو الأحمال الخارجية الأخرى. وتُعدّ هذه الميكانيكا أساسيةً في الهندسة لتصميم وتحليل الهياكل. وتشمل مجالاتها الرئيسية المرونة (التشوه القابل للاستعادة)، واللدونة (التشوه الدائم)، وميكانيكا الكسر (بدء وانتشار الشقوق).

القوة الدافعة الكهربية ([latex]\mathcal{E}[/latex]) هي الشغل المبذول لكل وحدة شحنة كهربائية بواسطة مصدر غير كهربائي، مثل البطارية أو المولِّد. وعلى الرغم من اسمها، فهي ليست قوة ميكانيكية بل جهد كهربائي يقاس بالفولت. وهو يمثل الطاقة التي يتم تحويلها من شكل آخر (كيميائي، ميكانيكي) إلى طاقة كهربائية أثناء انتقال الشحنة من مصدرها.

وينتج التيار الكهربائي في كومة فولتيك عن طريق تفاعل الأكسدة والاختزال. في أنود الزنك، يتأكسد فلز الزنك، ويطلق إلكترونين لكل ذرة ([latex]Zn \right \rightarrow Zn^{2+} + 2e^{-}[/latex]). تنتقل هذه الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية إلى مهبط النحاس. وهناك، يتم اختزال أيونات الهيدروجين من الإلكتروليت المائي، مكونةً غاز الهيدروجين ([latex]2T2H^{+} + 2e^^{-} \rightarrow H_2[/latex]).

من العيوب الرئيسية للكومة الفولتية استقطاب الأقطاب الكهربائية. أثناء التشغيل، يُشكّل غاز الهيدروجين الناتج عن الكاثود النحاسي طبقة عازلة من الفقاعات على سطحها. تزيد هذه الطبقة من المقاومة الداخلية للبطارية وتُقلّل مساحة السطح المتاحة للتفاعل. ونتيجةً لذلك، ينخفض ​​جهد وتيار الكومة بشكل ملحوظ بعد فترة وجيزة من بدء استخدامها.

معادلات نافيير-ستوكس هي مجموعة من المعادلات التفاضلية الجزئية غير الخطية التي تصف حركة المواد اللزجة للسوائل. وهي عبارة عن بيان لقانون نيوتن الثاني الذي يوازن بين تغيُّرات كمية الحركة وتدرُّجات الضغط وقوى اللزوجة والقوى الخارجية. بالنسبة إلى المائع غير القابل للانضغاط، تكون المعادلة [latex] \rho (\frac{\partial \mathbf{v}}{\partial t}+ \mathbf{v} \cdot \nabla \mathbf{v}) = - \nabla p + \mu \mu \nabla^2 \mathbf{v} + \mathbf{f}[/latex].

الحماية الكاثودية (CP) هي تقنية تُستخدم للتحكم في تآكل سطح معدني عن طريق جعله مهبطاً لخلية كهروكيميائية. ويتحقق ذلك عن طريق تزويد تيار كهربائي خارجي يكبح تيارات التآكل الطبيعية. يتم استقطاب جهد المعدن المحمي إلى قيمة أكثر سلبية، مما يحوله إلى منطقة مناعة أو سلبية.