הלם מים

הלם מים היא תופעה שבה נוצרת פעימת לחץ (גל פתאומי של לחץ) בצנרת עקב פתיחה או סגירה מהירה של גוף. הגל מתפשט בצינור ממקום ההפרעה עד קצה הקו ובחזרה. ניקולאי ז'וקובסקי ביצע ניתוח ראשון ופיתח נוסחאות לתיאור התהליך.

התופעה אופיינית לכל זורם (חומר שזורם, נוזל או גז), אך עליית הלחץ חשובה יותר בנוזלים צפופים כמו מים. גל הלחץ עלול לגרום לקפיצה או לרעידה של הצינור ואפילו לפריצה, והוא דועך בהדרגה בגלל חיכוך ואובדן אנרגיה בין הזרם לצינור.

במערכות מים ביתיות ועירוניות רואים לפעמים הלמי מים קטנים. הם נגרמים מסגירה או פתיחה מהירים של ברזים, ומהפעלת מכונות כמו מדיח או מכונת כביסה. כלל פשוט: בצינור ארוך עדיף לסגור ברזים לאט כדי למנוע נזק. בקווי נפט ודלק ארוכים חשוב לחשב את זמן הסגירה הקריטי.

אם שינוי המהירות מתבצע בזמן קצר או שווה לזמן הקריטי, ייווצר הלם מים. אם השינוי איטי בערך פי חמש מהזמן הקריטי, ההשפעה זניחה. הזמן הקריטי הוא הזמן שגל הלחץ עושה הלוך ושוב לאורך הצינור; בקירוב t = 2·L/a. מהירות גל הלחץ a תלויה בצפיפות הזורם ובגמישות הצינור. בקירוב בצינור מתכת דק־דופן a≈√(E_v/ρ). מהירות גל הלחץ של מים בצינור פלדה היא כ-1000, 1200 מטר לשנייה, ושל קיטור בלחץ נמוך כ-500 מ/ש. עליית הלחץ ניתנת też להבעת כגובה עמוד נוזל: ΔP = a·v/g. לדוגמה, זרימה של 2 מ/ש וסגירה מהירה עלולה להעלות את הלחץ בכ־200 מטר מים, כ-20 בר (כ-20 אטמוספרות).

ניתן לחשב את הזמן הקריטי ואת שיעור עליית הלחץ בעזרת מודלים גרפיים, אנליטיים או פתרונות נומריים במחשב. ידע זה מאפשר לתכנן סגירה מבוקרת של מגופים ולהפחית נזק.

ישנן תופעות דומות בזורמים אחרים שגם בהן נוצרים גלי לחץ כאשר משנים את הזרימה במהירות.

הלם מים הוא גל לחץ שחוזר בצינור. גל לחץ זה קורה כשסוגרים או פותחים מהר מדי. צינור הוא צינור שמוביל מים.

זה קורה בעיקר במים. לחץ הוא כוח שמפעילים הנוזל על דפנות הצינור. לחץ גדול יכול לגרום לצינור לזוז ולהישבר. עם הזמן הגל הולך ונחלש בגלל חיכוך.

בבית זה קורה כשסוגרים ברז פתאום. גם מדיח ומכונת כביסה יכולים לגרום לזה. אם סוגרים ברז לאט, סיכוי הנזק קטן יותר.

זמן קריטי הוא כמה זמן לוקח לגל ללכת הלוך ושוב בצינור. אם סוגרים מהר מהזמן הזה, ייווצר גל לחץ. מהירות הגל במים בצינור פלדה בערך אלף מטר בשנייה. בקיטור היא בערך חצי מזה.

חוקרים מחשבים את הזמן הזה כדי למנוע נזק. סגירה איטית של ברזים מסייעת מאוד.