Dinamika fluida temeljno je područje fizike koje proučava ponašanje tekućina i plinova u gibanju. Obuhvaća različite pojmove, uključujući protok tekućine, tlak, brzinu i sile koje djeluju na tekućine. Dinamika fluida ima značajnu primjenu u inženjerstvu, meteorologiji, oceanografiji, pa čak i u razumijevanju bioloških sustava. Ova lekcija će istražiti ključne koncepte dinamike fluida, nudeći uvid u to kako se fluidi ponašaju u različitim uvjetima.
Tekućina je tvar koja se ne može oduprijeti nijednoj posmičnoj sili koja na nju djeluje. Kada se primijeni posmična sila, tekućina se kontinuirano deformira. Tekućine uključuju i tekućine i plinove. Imaju karakterističnu karakteristiku da teku i poprimaju oblik svojih spremnika.
Viskoznost je mjera otpora fluida protoku. Opisuje koliko je tekućina gusta ili sirupasta. Voda ima nisku viskoznost, što znači da lako teče, dok med ima visoku viskoznost i teče sporije. Matematički prikaz viskoznosti često se daje simbolom \(\mu\) . Jedinica viskoznosti u SI sustavu je Pascal sekunda ( \(Pa\cdot s\) ).
Postoje dvije vrste strujanja koje se mogu pojaviti u fluidu: laminarno i turbulentno. Laminarni tok karakterizira glatko, uredno gibanje tekućine koje se obično vidi kod tekućina koje se kreću nižim brzinama. Nasuprot tome, turbulentno strujanje je kaotično i odvija se velikim brzinama. Prijelaz iz laminarnog u turbulentno strujanje određen je Reynoldsovim brojem ( \(Re\) ), koji se izračunava kao:
\(Re = \frac{\rho vL}{\mu}\)Gdje je \(\rho\) gustoća tekućine, \(v\) brzina tekućine, \(L\) karakteristična linearna dimenzija, a \(\mu\) dinamička viskoznost tekućine.
Tlak je ključni koncept u dinamici fluida. To je sila kojom čestice tekućine djeluju po jedinici površine. Tlak tekućine mijenja se s dubinom i dan je jednadžbom:
\(P = P_0 + \rho gh\)Gdje je \(P\) tlak fluida na dubini \(h\) , \(P_0\) je tlak fluida na površini, \(\rho\) je gustoća fluida, \(g\) je ubrzanje gravitacije, a \(h\) je dubina ispod površine.
Bernoullijev princip je temeljni princip u dinamici fluida koji objašnjava kako su brzina, tlak i visina fluida povezani. Prema ovom principu, povećanje brzine fluida događa se istovremeno sa smanjenjem tlaka ili smanjenjem potencijalne energije fluida. Princip je izražen kao:
\(P + \frac{1}{2}\rho v^2 + \rho gh = \textrm{konstantno}\)Gdje je \(P\) tlak, \(\rho\) gustoća tekućine, \(v\) brzina tekućine, a \(h\) visina iznad referentne točke.
Razumijevanje dinamike fluida može se poboljšati jednostavnim eksperimentima i opažanjima iz svakodnevnog života:
Dinamika fluida igra ključnu ulogu u mnogim područjima znanosti i inženjerstva, uključujući:
Dinamika fluida je fascinantno područje fizike koje nudi uvid u to kako se fluidi ponašaju u različitim situacijama. Od toka vode u rijekama do dizajna sofisticiranih letjelica, principi dinamike fluida nalaze primjenu u mnogim aspektima svakodnevnog života i tehnologije. Razumijevanje ovih načela povećava našu sposobnost inovacija i rješavanja složenih problema u različitim područjima uključujući znanost o okolišu, inženjerstvo i medicinu.
