Вовед во механика на флуиди
Механиката на флуидите е гранка на физиката која се занимава со однесувањето на течностите (течности, гасови и плазми) во мирување и во движење. Има апликации во широк спектар на дисциплини, вклучувајќи механичко, цивилно и хемиски инженеринг, геофизика, океанографија и астрофизика. Проучувањето на механиката на течности е поделено на статика на течности , проучување на течности во мирување и динамика на течности , проучување на течности во движење.
Својства на течности
Разбирањето на механиката на течности започнува со клучните својства што го дефинираат однесувањето на течноста:
- Густина ( \(\rho\) ) : Маса по единица волумен на течност, што покажува колку се компактни честичките на течноста.
- Притисок (P) : Сила што се врши по единица површина од честичките на течноста врз површината.
- Вискозитет ( \(\mu\) ) : Мерка за отпорноста на течноста на проток што го опишува внатрешното триење на течноста што се движи.
- Температура (T) : Влијае на густината и вискозноста на течноста. Општо земено, како што температурата се зголемува, густината се намалува и вискозноста се намалува за течностите, но се зголемува за гасовите.
Статика на течности
Во флуидна статика, претпоставуваме дека течностите се во мирување или нивното движење не влијае на набљудуваните феномени. Главниот принцип во статиката на течностите е Паскаловиот принцип кој вели дека притисокот во која било точка во течноста во мирување е ист во сите правци. Овој принцип се применува во хидраулични системи каде што зголемувањето на притисокот се пренесува несмалено во затворена течност.
Друг важен концепт е принципот на Архимед , кој вели дека секој предмет, целосно или делумно потопен во течност, е поттикнат од сила еднаква на тежината на течноста поместена од објектот. Овој принцип објаснува зошто предметите лебдат или тонат.
Динамика на течности
Динамиката на течности ги проучува силите и движењето што произлегува од течностите во движење. Посложена е од статиката на течноста бидејќи вклучува дополнителни променливи како брзината и забрзувањето. Основните равенки кои ја регулираат динамиката на течности се:
- Равенка на континуитет : Ја изразува зачувувањето на масата во протокот на течност. За некомпресибилна течност, може да се напише како \(\frac{\partial A}{\partial t} + \nabla \cdot (A \vec{v}) = 0\) , каде што \(A\) е површина на напречниот пресек, \(t\) е време, а \(\vec{v}\) е векторот на брзината на течноста.
- Бернулиова равенка : Ја поврзува брзината на течноста и нејзината потенцијална енергија. За некомпресибилните течности, тој е даден со \(P + \frac{1}{2}\rho v^2 + \rho gh = \textrm{постојана}\) , каде што \(P\) е притисокот, \(\rho\) е густина, \(v\) е брзина, \(g\) е забрзување поради гравитацијата и \(h\) е висината над референтната точка.
Апликации
Механиката на флуиди се применува во различни области:
- Во инженерството , се користи во дизајнирање и анализа на системи за водоснабдување, системи за климатизација, електрани и авиони.
Во метеорологијата , помага во разбирањето и прогнозирањето на временските обрасци со проучување на динамиката на атмосферата.- Во медицинската наука , принципите на механиката на течности се применуваат во анализата на протокот на крв, дизајнот на медицински помагала како што се срцевите залистоци и респираторните машини.
- Во науката за животната средина , помага во проучувањето на дисперзијата на загадувањето, ерозијата и транспортот на седименти во реките и океаните.
Клучни експерименти и примери
Многу основни принципи на механиката на течности може да се разберат преку едноставни експерименти и набљудувања:
- Експеримент на Торичели : Демонстрирање на принципот на Бернули, ставање слама во чаша вода и покривање на горниот крај ќе го спречи истекот на водата поради создадената разлика во притисокот. Дувањето преку врвот го намалува притисокот, дозволувајќи и на водата да тече надвор.
- Принцип на експеримент на Архимед : Ова може да се докаже со поставување на објект во течност и набљудување на силата нагоре (пловење) што ја врши течноста, што е еднаква на тежината на поместената течност.
Модели на проток на течност
Кога течностите течат, тие покажуваат различни модели, објаснето со концептот на Рејнолдсов број (Re) , кој е бездимензионална количина што се користи за предвидување на моделите на проток во различни ситуации на проток на течности. Рејнолдсовиот број е дефиниран како \(Re = \frac{\rho vL}{\mu}\) , каде што \(v\) е брзината на протокот, \(L\) е карактеристична линеарна димензија (како дијаметар), и \(\mu\) е динамичкиот вискозитет на течноста.
Моделите на проток може да се класифицираат во два вида:
- Ламинарен тек : честичките на течност се движат во мазни, уредни слоеви или потоци. Ова се случува кај пониските Рејнолдсови броеви ( \(Re < 2000\) ) каде што доминантни се вискозните сили.
- Турбулентен проток : честичките од течност се движат на хаотичен начин. Ова се случува кај повисоките Рејнолдсови броеви ( \(Re > 4000\) ), каде што доминираат инерцијалните сили, предизвикувајќи вртлози и вртлози.
Мерење на проток на течност
Постојат неколку техники за мерење на протокот на течности, неопходни за различни инженерски и научни апликации. Тие вклучуваат:
- Вентури Мерач : Го користи принципот на Бернулиевата равенка за мерење на брзината на проток низ цевката.
- Pito Tube : Ја мери брзината на проток врз основа на разликата во стагнациониот притисок и статичкиот притисок.
Заклучок
Механиката на флуиди опфаќа огромен опсег на појави и апликации, од инженерство до природни науки. Неговите принципи се од суштинско значење за разбирање на однесувањето на течностите во различни услови и дизајнирање системи кои комуницираат со течности. Додека флуидната статика го објаснува однесувањето на течностите во мирување, динамиката на течности ги истражува силите и движењата во флуидите што се движат, при што инженерските апликации ги користат овие принципи за да создадат ефикасни системи и да решаваат практични проблеми.
