ปรากฏการณ์ไฮดรอลิกจัมป์ (Hydraulic Jump) การเปลี่ยนแปลงระดับน้ำอย่างฉับพลัน

ไฮดรอลิกจัมป์ (Hydraulic Jump) คือปรากฏการณ์ที่ระดับความลึกของกระแสน้ำที่ไหลอย่างรวดเร็วในทางน้ำเปิดเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลัน ซึ่งจะตามมาด้วยการลดลงของความเร็วในการไหลอย่างรวดเร็ว โดยลักษณะที่ปรากฏจะเป็นบริเวณที่มีคลื่นหรือความปั่นป่วนของน้ำระหว่างการไหลที่มีความเร็วสูงทางต้นน้ำและการไหลที่ช้าลงทางปลายน้ำ ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดเจนในชีวิตประจำวันคือ วงแหวนของน้ำที่เกิดขึ้นเมื่อเราเปิดก๊อกน้ำให้ไหลลงในอ่างล้างจาน

การเกิดและประโยชน์ในทางวิศวกรรม

ไฮดรอลิกจัมป์เกิดขึ้นได้บ่อยครั้งบริเวณด้านล่างของทางระบายน้ำล้น (Spillways) ของเขื่อนและในแม่น้ำ ซึ่งอาจเกิดขึ้นในลักษณะที่อยู่กับที่ (Stationary) เช่น บริเวณท้ายเขื่อน หรือเคลื่อนที่ไปตามลำน้ำในลักษณะของคลื่นกระแทก (Surges) เช่น ปรากฏการณ์น้ำหนุน (Tidal Bore)

วิศวกรโยธาจึงออกแบบทางระบายน้ำล้นและอ่างหน่วงน้ำ (Stilling Basins) เพื่อให้เกิดไฮดรอลิกจัมป์ ซึ่งมีวัตถุประสงค์หลักเพื่อสลายพลังงานจลน์ของน้ำที่ไหลลงมาจากเขื่อน เพื่อป้องกันการกัดเซาะพื้นผิวทางน้ำและโครงสร้างด้านท้ายน้ำ

เงื่อนไขการเกิดและเลขฟรูด (Froude Number)

ไฮดรอลิกจัมป์จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อการไหลทางต้นน้ำมีความเร็วสูงกว่าความเร็วของคลื่นน้ำในระดับตื้น ทำให้การรบกวนเพียงเล็กน้อยไม่สามารถเดินทางย้อนกลับไปยังต้นน้ำได้ โดยระดับความรุนแรงของการเปลี่ยนแปลงจะขึ้นอยู่กับอัตราส่วนระหว่างความเร็วของการไหลกับความเร็วของคลื่น ซึ่งเรียกว่า เลขฟรูด (Froude Number)

• หากความเร็วสูงกว่าความเร็วคลื่นเพียงเล็กน้อย การเปลี่ยนแปลงจะเป็นลักษณะคลื่นม้วน (Rolling Wave)
• หากความเร็วเพิ่มขึ้น การเปลี่ยนแปลงจะฉับพลันมากขึ้น จนกระทั่งที่ความเร็วสูงมาก หน้าคลื่นจะแตกตัวและม้วนย้อนกลับขึ้นไปทางต้นน้ำ

ประวัติการศึกษา

เลโอนาร์โด ดา วินชี ได้บรรยายและวาดภาพการไหลของน้ำที่ปัจจุบันเข้าใจว่าเป็นไฮดรอลิกจัมป์ไว้ใน Codex Leicester ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1504 ต่อมาในปี ค.ศ. 1820 Giorgio Bidone ได้เผยแพร่การสืบสวนเชิงทดลองครั้งแรก และในปี ค.ศ. 1841 Jean-Baptiste Bélanger ได้สร้างทฤษฎีสมัยใหม่ชุดแรกเกี่ยวกับปรากฏการณ์นี้

ประเภทของไฮดรอลิกจัมป์

1. ไฮดรอลิกจัมป์แบบอยู่กับที่ (Stationary Hydraulic Jump)

เกิดขึ้น ณ ตำแหน่งคงที่ โดยทางต้นน้ำน้ำจะไหลเร็วและตื้น ส่วนทางปลายน้ำน้ำจะไหลช้าและลึก ในบริเวณรอยต่อจะเกิดคลื่นนิ่งหรือขั้นบันไดของระดับน้ำที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และมักมีความปั่นป่วนสูงทางด้านท้ายน้ำ

2. ไฮดรอลิกจัมป์แบบเคลื่อนที่ (Moving Hydraulic Jump หรือ Surge)

คือหน้าคลื่นที่ชันหรือเป็นลอนที่เคลื่อนที่ไปตามลำน้ำ เช่น เมื่อเขื่อนแตกจะมีกำแพงน้ำขนาดใหญ่พุ่งลงสู่ปลายน้ำ หรือในกรณีของน้ำหนุน (Tidal Bore) ที่น้ำทะเลหนุนสูงเคลื่อนที่ย้อนขึ้นไปตามแม่น้ำ

สมการของ Bélanger และหลักการคำนวณ

หลักการอนุรักษ์มวลและอนุรักษ์โมเมนตัมนำไปสู่สมการที่เชื่อมโยงความลึกของน้ำทางต้นน้ำและปลายน้ำ ซึ่งเรียกว่า สมการของ Bélanger โดยสมการนี้ใช้คำนวณในทางน้ำเปิดรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าภายใต้เงื่อนไขในอุดมคติ