בדיחה ישנה מספרת על רפתן המבקש ממהנדס לעזור לו לחשב כמה חלב הפרות שלו מפיקות ביום. המהנדס מיד ענה "ברור שאני יכול לחשב, אך קודם כל אנחנו צריכים להניח שהפרות עגולות ואין להן חיכוך". כך, בבדיחה פשוטה, אנחנו מתארים את אחד האויבים השנואים על מהנדסים: חיכוך. בעוד חיכוך בין משטחים קשיחים הוא קל יחסית לתיאור, חיכוך בין זורמים למשטחים הוא מסובך יותר, ויוצר את ״שכבת הגבול״ - איזור מיוחד בתוך הזורם אשר תיאור פיזיקלי נכון שלו הוא קריטי ליישומים הנדסיים ומדעיים רבים.

חיכוך הוא כוח הפועל בין שני גופים הנוגעים ונעים אחד ביחס לשני, ואשר מתנגד לתנועה זו [1]. חיכוך הוא הכוח שמונע מכם וכל שאר הדברים מלהחליק על הרצפה ללא הפסקה – הוא בעצם כוח ש"מייצב" אותנו במקום (אם מתחשק לכם להתעלל בפיסיקאי, תגידו לו את זה, וצפו בתגובתו). אבל מהי הסיבה שחיכוך פועל בין גופים? בפשטות, אם נסתכל על פני השטח של כל חפץ בעזרת מיקרוסקופ נראה שפני השטח שלו גבשושיים, אפילו אם הוא מרגיש ונראה לנו חלק. וכאשר שני משטחים זזים אחד יחסית לשני, הגבשושיות של כל אחד מהם מתנגשות אחת בשנייה וכך מייצרות כוח נגדי לכיוון התנועה.
חלקכם אולי מיד יחשבו "אוקי, זה קורה בגלל שחומר מוצק הוא גבשושי, אבל איך פועל חיכוך עם מים או אויר?״. למשל, כשאנחנו שוחים או משחקים עם כדור [2]. ובכן, שאלה מצוינת, תטפחו לעצמכם על השכם. המנגנון של החיכוך עם מים או אוויר הוא שונה מאשר זה הפועל בין חפצים מוצקים. תחילה אציין שגם מים וגם אוויר הם 'זורמים' [3]: זורם הוא חומר שמקבל את הצורה של הכלי בו הוא נמצא (בין אם הוא נוזל או גז). ולכן עלינו למעשה להסביר: "מה המנגנון של חיכוך עם זורם?". בפוסט קודם [2] הסברנו שכל גוף שעובר דרך זורם חווה כוח שמתנגד לו, הנקרא כח גרר. בפשטות, כח הגרר נובע משתי סיבות עיקריות: הראשונה היא שהגוף צריך 'להזיז' הצידה חלקיקים של זורם שבאים מולו, בזמן שאלו מנסים להתנגד לו -לפי החוק השני והשלישי של ניוטון (נקרא גרר לחץ), והסיבה השניה (בה נתמקד כאן) היא חיכוך עם הזורם. ככל שהזורם יותר צמיג, כמו דבש לעומת מים, ככה החלק היחסי של החיכוך הופך להיות יותר דומיננטי ביחס לגרר.
נניח כי זורם כלשהו (למשל מים) נע, ככה בכיף שלו, במקביל למישור כלשהו, למשל מים שזורמים על משטח. אם נסתכל על שכבת המים הכי קרובה למשטח, ממש ברמת המולקולות הבודדות, נשים לב שהם לא זזות אלא "נדבקות" למשטח המקובע. למעשה, שכבת מולקולות הזורם שממש קרובות למשטח "נתפסות" בגבשושיות החומר כתוצאה מכוחות חשמליים כמו כוחות ואן-דר-ואלס בין מולקולות הזורם והמשטח, ונעצרות. המולקולות בשכבת המים ממש מעל לשכבה דקה זו, מתנגשות בשכבה שנדבקה למשטח ומאטות, וכך, בתורן, המולקולות מעליהן וכן הלאה. מה שנוצר זה בעצם המון שכבות שמתנגשות אחת בשניה וכך מאיטות בהדרגה כי כל אחת מפעילה חיכוך על השכבה מעליה – ולמעשה כך קיבלנו חיכוך בין המים למשטח. דבר דומה קורה בין כל זורם לגוף מוצק [4].
התוצאה היא מהירות משתנה מעל המשטח – ממש קרוב לפלטה המהירות היא אפס, וממש רחוק מהפלטה, המהירות היא מהירותו של הזורם כאילו לא פגש את המשטח מעולם. השינוי ההדרגתי בין השכבה הדבוקה לזורם החופשי אפשר לחשב על ידי פתירת משוואות נאוויה-סטוקס ולהעריך את כוח החיכוך [3] (ראו סרטון של MIT, טיפה ישן אבל מצויין [5]).
לאזור הזה, הצמוד לפלטה, שבו מהירות הזורם משתנה, קוראים 'שכבת-גבול', כיוון שהיא שכבה ממש בגבול של הפלטה (מהנדסים לא יצירתיים בשמות). המחשה ממוחשבת מופיעה בתמונה בראש הכתבה: הנוזל הצבוע כחול הוא שכבת הגבול, ואילו הנוזל מעליה, הזורם ללא הפרעה, לא מוצג בתרשים. החצים מראים את שינוי המהירות עם המרחק מהמשטח התחתון, והקווים הארוכים מאחור מציגים את שינוי הכיוון של הזורם (קווי הזרם).

הקצה שלה מוגדר כאזור שבו המהירות מאיטה רק ב1% לעומת מהירות הזורם [6]. שכבת הגבול למעשה קיימת בכל מקום שיש בו זרימה - החל מזרימה בתוך עורקים, משב רוח על כנפי מטוסים ומכוניות, מעבר של חום ע"י רוח ועד רוחות שנושבות על פני הקרקע. זאת הסיבה לכך שמהירות הרוח בצמוד לקרקע נמוכה יותר ממהירות הרוח בגובה הראש, שהיא בתורה נמוכה משמעותית ממהירות הרוח בקומות העליונות של גורדי שחקים [7]. דבר זה חשוב במיוחד כאשר מתכננים חוות טורבינות רוח או גורדי שחקים, כיוון שהשינוי במהירות הרוח בגבהים שונים משפיע דרמטית על היקף ייצור החשמל של הטורבינות או יציבות הבניין ברוחות חזקות.
לסיכום, שכבת הגבול היא התופעה שבאמצעותה זורם מייצר חיכוך עם גופים קשיחים כמו פלטות, כנפיים או אפילו הקרקע, דרך מנגנון השונה מיצירת חיכוך בין שני משטחים קשיחים. החיכוך של כל שכבה עם השכבה מעליה מייצר פרופיל מהירות משתנה, שבו ככל שמתרחקים מהחפץ הקשיח, כך המהירות היחסית גדלה. לתופעה של שכבת גבול יש השפעה על היבטים הנדסיים ופיזיקליים רבים, החל מהפחתת חיכוך בצנרת מים, קירור וחימום על ידי רוח, יעילות קצירת האנרגיה של טורבינות רוח ואף להשפעה על יצירת ותנועת עננים באטמוספירה [8].

מקורות והרחבות:

[1] חיכוך - בריטניקה

[2] כדורי גולף מטוסים ומערבולות  

[3] המשוואות ששוות מיליון דולר, מתוך מדע גדול, בקטנה

[4] הסבר של נאס"א על שכבות גבול

[5] סרטון על שכבת הגבול מאת  MIT

[6] פתרון בלסיוס לשכבת גבול למינרית

[7] פרופיל רוח לוגריתמי

[8] Interactions and Feedbacks Between Climate and Dryland Vegetations