พลศาสตร์ของไหลเป็นสาขาวิชาพื้นฐานของฟิสิกส์ที่ศึกษาพฤติกรรมของของเหลวและก๊าซที่กำลังเคลื่อนที่ ประกอบด้วยแนวคิดต่างๆ รวมถึงการไหลของของไหล ความดัน ความเร็ว และแรงที่กระทำต่อของไหล พลศาสตร์ของไหลมีการนำไปใช้อย่างมีนัยสำคัญในด้านวิศวกรรม อุตุนิยมวิทยา สมุทรศาสตร์ และแม้แต่ในการทำความเข้าใจระบบทางชีววิทยา บทเรียนนี้จะสำรวจแนวคิดหลักของพลศาสตร์ของไหล โดยให้ข้อมูลเชิงลึกว่าของไหลมีพฤติกรรมอย่างไรภายใต้สภาวะต่างๆ
ของไหลคือสารที่ไม่สามารถต้านทานแรงเฉือนใดๆ ที่กระทำกับมันได้ เมื่อใช้แรงเฉือน ของเหลวจะเสียรูปอย่างต่อเนื่อง ของไหลมีทั้งของเหลวและก๊าซ มีลักษณะพิเศษคือไหลและเข้ารูปภาชนะ
ความหนืดคือการวัดความต้านทานต่อการไหลของของไหล อธิบายว่าของเหลวมีความหนาหรือมีน้ำเชื่อมมากเพียงใด น้ำมีความหนืดต่ำ ไหลได้สะดวก ส่วนน้ำผึ้งมีความหนืดสูงและไหลช้ากว่า การเป็นตัวแทนทางคณิตศาสตร์ของความหนืดมักถูกกำหนดโดยใช้สัญลักษณ์ \(\mu\) หน่วยความหนืดในระบบ SI คือวินาทีปาสคาล ( \(Pa\cdot s\) )
การไหลที่อาจเกิดขึ้นในของไหลมีสองประเภท: แบบราบเรียบและแบบปั่นป่วน การไหลแบบลามินาร์มีลักษณะพิเศษคือการเคลื่อนที่ของของไหลที่ราบรื่นและเป็นระเบียบซึ่งมักพบเห็นได้ในของไหลที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่ำ ในทางตรงกันข้าม การไหลเชี่ยวจะวุ่นวายและเกิดขึ้นที่ความเร็วสูง การเปลี่ยนจากการไหลแบบราบเรียบเป็นการไหลแบบปั่นป่วนถูกกำหนดโดยเลขเรย์โนลด์ส ( \(Re\) ) ซึ่งคำนวณได้ดังนี้:
\(Re = \frac{\rho vL}{\mu}\)โดยที่ \(\rho\) คือความหนาแน่นของของไหล \(v\) คือความเร็วของของไหล \(L\) คือมิติเชิงเส้นที่มีลักษณะเฉพาะ และ \(\mu\) คือความหนืดไดนามิกของของไหล
ความดันเป็นแนวคิดที่สำคัญในพลศาสตร์ของไหล คือแรงที่กระทำต่อหน่วยพื้นที่โดยอนุภาคของของไหล ความดันของของไหลเปลี่ยนแปลงตามความลึก และได้มาจากสมการ:
\(P = P_0 + \rho gh\)โดยที่ \(P\) คือความดันของเหลวที่ความลึก \(h\) , \(P_0\) คือความดันของเหลวที่พื้นผิว \(\rho\) คือความหนาแน่นของของเหลว \(g\) คือ ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง และ \(h\) คือความลึกใต้พื้นผิว
หลักการของเบอร์นูลลีเป็นหลักการพื้นฐานในพลศาสตร์ของไหลที่อธิบายว่าความเร็ว ความดัน และความสูงของของไหลมีความสัมพันธ์กันอย่างไร ตามหลักการนี้ ความเร็วที่เพิ่มขึ้นของของไหลจะเกิดขึ้นพร้อมกันกับความดันที่ลดลงหรือพลังงานศักย์ของของไหลที่ลดลง หลักการแสดงเป็น:
\(P + \frac{1}{2}\rho v^2 + \rho gh = \textrm{คงที่}\)โดยที่ \(P\) คือความดัน \(\rho\) คือความหนาแน่นของของไหล \(v\) คือความเร็วของของไหล และ \(h\) คือความสูงเหนือจุดอ้างอิง
การทำความเข้าใจเกี่ยวกับพลศาสตร์ของไหลสามารถปรับปรุงได้ด้วยการทดลองและการสังเกตง่ายๆ จากชีวิตประจำวัน:
พลศาสตร์ของไหลมีบทบาทสำคัญในหลายสาขาของวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ รวมไปถึง:
พลศาสตร์ของไหลเป็นสาขาที่น่าสนใจของฟิสิกส์ ซึ่งให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับพฤติกรรมของของไหลในสถานการณ์ต่างๆ ตั้งแต่การไหลของน้ำในแม่น้ำไปจนถึงการออกแบบเครื่องบินที่มีความซับซ้อน หลักการของพลศาสตร์ของไหลพบว่ามีการนำไปประยุกต์ใช้ในชีวิตประจำวันและเทคโนโลยีในหลายแง่มุม การทำความเข้าใจหลักการเหล่านี้ช่วยเพิ่มความสามารถของเราในการคิดค้นและแก้ไขปัญหาที่ซับซ้อนในสาขาต่างๆ รวมถึงวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม วิศวกรรมศาสตร์ และการแพทย์
