دینامیک سیالات یک حوزه اساسی از فیزیک است که رفتار مایعات و گازها را در حال حرکت مطالعه می کند. مفاهیم مختلفی از جمله جریان سیال، فشار، سرعت و نیروهای وارد بر سیالات را در بر می گیرد. دینامیک سیالات کاربردهای قابل توجهی در مهندسی، هواشناسی، اقیانوس شناسی و حتی در درک سیستم های بیولوژیکی دارد. این درس مفاهیم کلیدی دینامیک سیالات را بررسی می کند و بینش هایی را در مورد نحوه رفتار سیالات در شرایط مختلف ارائه می دهد.
سیال ماده ای است که نمی تواند در برابر هر نیروی برشی وارد شده به آن مقاومت کند. هنگامی که نیروی برشی اعمال می شود، یک سیال به طور مداوم تغییر شکل می دهد. سیالات هم شامل مایعات و هم گازها هستند. آنها ویژگی متمایز جاری شدن و شکل گرفتن ظروف خود را دارند.
ویسکوزیته اندازه گیری مقاومت سیال در برابر جریان است. این توضیح می دهد که یک مایع چقدر غلیظ یا شربتی است. ویسکوزیته آب کم است، یعنی به راحتی جریان می یابد، در حالی که عسل دارای ویسکوزیته بالا است و کندتر جریان می یابد. نمایش ریاضی ویسکوزیته اغلب با نماد \(\mu\) ارائه می شود. واحد ویسکوزیته در سیستم SI، ثانیه پاسکال ( \(Pa\cdot s\) ) است.
دو نوع جریان در یک سیال وجود دارد: آرام و آشفته. جریان آرام با حرکت روان و منظم سیال مشخص می شود که معمولاً در سیالاتی که با سرعت های پایین تر حرکت می کنند دیده می شود. در مقابل، جریان آشفته آشفته است و در سرعت های بالا رخ می دهد. انتقال از جریان آرام به جریان آشفته با عدد رینولدز ( \(Re\) ) تعیین می شود که به صورت زیر محاسبه می شود:
\(Re = \frac{\rho vL}{\mu}\)جایی که \(\rho\) چگالی سیال است، \(v\) سرعت سیال است، \(L\) یک بعد خطی مشخصه است و \(\mu\) ویسکوزیته دینامیکی سیال است.
فشار یک مفهوم مهم در دینامیک سیالات است. نیرویی است که در واحد سطح توسط ذرات سیال وارد می شود. فشار سیال با عمق تغییر می کند و با معادله به دست می آید:
\(P = P_0 + \rho gh\)جایی که \(P\) فشار سیال در عمق \(h\) است، \(P_0\) فشار سیال در سطح، \(\rho\) چگالی سیال است، \(g\) برابر است. شتاب ناشی از گرانش و \(h\) عمق زیر سطح است.
اصل برنولی یک اصل اساسی در دینامیک سیالات است که چگونگی ارتباط سرعت، فشار و ارتفاع سیال را توضیح می دهد. بر اساس این اصل، افزایش سرعت یک سیال همزمان با کاهش فشار یا کاهش انرژی پتانسیل سیال اتفاق می افتد. اصل به صورت زیر بیان می شود:
\(P + \frac{1}{2}\rho v^2 + \rho gh = \textrm{ثابت}\)جایی که \(P\) فشار، \(\rho\) چگالی سیال، \(v\) سرعت سیال و \(h\) ارتفاع بالاتر از یک نقطه مرجع است.
درک دینامیک سیالات را می توان از طریق آزمایشات و مشاهدات ساده از زندگی روزمره افزایش داد:
دینامیک سیالات نقش مهمی در بسیاری از زمینه های علم و مهندسی ایفا می کند، از جمله:
دینامیک سیالات یک حوزه جذاب از فیزیک است که بینش هایی را در مورد نحوه رفتار سیالات در موقعیت های مختلف ارائه می دهد. از جریان آب در رودخانه ها تا طراحی هواپیماهای پیشرفته، اصول دینامیک سیالات در بسیاری از جنبه های زندگی روزمره و فناوری کاربرد پیدا می کند. درک این اصول توانایی ما را برای نوآوری و حل مشکلات پیچیده در زمینه های مختلف از جمله علوم محیطی، مهندسی و پزشکی افزایش می دهد.
