Шингэний механикийн танилцуулга
Шингэний механик нь шингэний (шингэн, хий, плазм) тайван байдал ба хөдөлгөөнд хэрхэн нөлөөлдөгийг судалдаг физикийн салбар юм. Энэ нь механик, иргэний болон химийн инженерчлэл, геофизик, далай судлал, астрофизик зэрэг өргөн хүрээний салбаруудад хэрэглэгддэг. Шингэний механикийн судалгаа нь шингэний статик , тайван байдалд байгаа шингэний судалгаа, шингэний динамик , хөдөлгөөн дэх шингэний судалгаа гэж хуваагддаг.
Шингэний шинж чанар
Шингэний механикийг ойлгох нь шингэний зан төлөвийг тодорхойлдог гол шинж чанаруудаас эхэлдэг.
- Нягт ( \(\rho\) ) : Шингэний нэгж эзэлхүүн дэх масс нь шингэний хэсгүүд хэр нягт байгааг илтгэнэ.
- Даралт (P) : гадаргуу дээрх шингэний хэсгүүдийн нэгж талбайд үзүүлэх хүч.
- Зуурамтгай чанар ( \(\mu\) ) : Хөдөлгөөнт шингэний дотоод үрэлтийг тодорхойлдог шингэний урсгалын эсэргүүцлийн хэмжүүр.
- Температур (T) : Шингэний нягт ба зуурамтгай чанарт нөлөөлдөг. Ерөнхийдөө температур нэмэгдэхийн хэрээр шингэний хувьд нягтрал буурч, зуурамтгай чанар нь буурч, харин хийн хувьд нэмэгддэг.
Шингэний статик
Шингэний статикийн хувьд бид шингэн тайван байдалд байгаа эсвэл тэдгээрийн хөдөлгөөн нь ажиглагдсан үзэгдэлд нөлөөлдөггүй гэж үздэг. Шингэний статикийн үндсэн зарчим бол тайван байдалд байгаа шингэний аль ч цэг дэх даралт бүх чиглэлд ижил байна гэсэн Паскалийн зарчим юм. Энэ зарчмыг даралтын өсөлт нь хаалттай шингэнд дамждаг гидравлик системд хэрэглэгддэг.
Өөр нэг чухал ойлголт бол Архимедийн зарчим бөгөөд шингэнд бүрэн эсвэл хэсэгчлэн дүрэгдсэн аливаа объект нь тухайн биетийн шилжсэн шингэний жинтэй тэнцэх хүчээр хөвөх болно. Энэ зарчим нь объект яагаад хөвж, живж байгааг тайлбарладаг.
Шингэний динамик
Шингэний динамик нь хөдөлгөөнд байгаа шингэний хүч ба үүнээс үүсэх хөдөлгөөнийг судалдаг. Энэ нь хурд, хурдатгал зэрэг нэмэлт хувьсагчдыг агуулдаг тул шингэний статикаас илүү төвөгтэй юм. Шингэний динамикийг удирдах үндсэн тэгшитгэлүүд нь:
- Тасралтгүй байдлын тэгшитгэл : Шингэний урсгал дахь массын хадгалалтыг илэрхийлнэ. Шахагдахгүй шингэний хувьд үүнийг \(\frac{\partial A}{\partial t} + \nabla \cdot (A \vec{v}) = 0\) гэж бичиж болно, энд \(A\) нь хөндлөн огтлолын талбай, \(t\) нь цаг хугацаа, \(\vec{v}\) нь шингэний хурдны вектор юм.
- Бернуллигийн тэгшитгэл : Шингэний хурд ба түүний боломжит энергийг холбодог. Шахагдашгүй шингэний хувьд үүнийг \(P + \frac{1}{2}\rho v^2 + \rho gh = \textrm{тогтмол}\) өгөгдсөн бөгөөд энд \(P\) нь даралт, \(\rho\) нь нягтрал, \(v\) нь хурд, \(g\) нь таталцлын хурдатгал, \(h\) нь жишиг цэгээс дээш өндөр юм.
Хэрэглээ
Шингэний механикийг янз бүрийн салбарт ашигладаг.
- Инженерийн хувьд энэ нь усан хангамжийн систем, агааржуулалтын систем, цахилгаан станц, нисэх онгоцыг зохион бүтээх, шинжлэхэд ашиглагддаг.
Цаг уурын хувьд энэ нь агаар мандлын динамикийг судлах замаар цаг агаарын төлөв байдлыг ойлгох, урьдчилан таамаглахад тусалдаг.- Анагаах ухааны шинжлэх ухаанд шингэний механикийн зарчмуудыг цусны урсгалын шинжилгээ, зүрхний хавхлага, амьсгалын аппарат зэрэг эмнэлгийн хэрэгслийн дизайнд ашигладаг.
- Байгаль орчны шинжлэх ухаанд энэ нь гол мөрөн, далай дахь бохирдлын тархалт, элэгдэл, хурдас тээвэрлэлтийг судлахад тусалдаг.
Гол туршилт ба жишээнүүд
Шингэний механикийн олон үндсэн зарчмуудыг энгийн туршилт, ажиглалтаар ойлгож болно.
- Торричеллигийн туршилт : Бернуллигийн зарчмыг харуулж, нэг аяга усанд сүрэл хийж, дээд үзүүрийг нь тагласнаар даралтын зөрүү үүссэнээс ус урсахаас сэргийлнэ. Дээрээс нь үлээх нь даралтыг бууруулж, усыг гадагшлуулах боломжийг олгодог.
- Архимедийн зарчмын туршилт : Үүнийг шингэнд объект байрлуулж, шилжсэн шингэний жинтэй тэнцэх шингэний үзүүлэх хүчийг (хөвөх чадварыг) ажигласнаар үүнийг харуулж болно.
Шингэний урсгалын загвар
Шингэн урсах үед тэдгээр нь өөр өөр хэв маягийг харуулдаг бөгөөд үүнийг Рейнольдсын тоо (Re) гэсэн ойлголтоор тайлбарладаг бөгөөд энэ нь шингэний урсгалын янз бүрийн нөхцөлд урсгалын хэв маягийг урьдчилан таамаглахад ашигладаг хэмжээсгүй хэмжигдэхүүн юм. Рэйнолдсын тоог \(Re = \frac{\rho vL}{\mu}\) гэж тодорхойлсон бөгөөд \(v\) нь урсгалын хурд, \(L\) нь шугаман хэмжээс (диаметр гэх мэт), ба \(\mu\) нь шингэний динамик зуурамтгай чанар юм.
Урсгалын хэв маягийг ерөнхийд нь хоёр төрөлд ангилж болно.
- Ламинар урсгал : Шингэний хэсгүүд жигд, эмх цэгцтэй давхарга эсвэл урсгалаар хөдөлдөг. Энэ нь наалдамхай хүч давамгайлж байгаа Рейнольдсын доод тоонд ( \(Re < 2000\) ) тохиолддог.
- Турбулент урсгал : Шингэний хэсгүүд эмх замбараагүй хөдөлдөг. Энэ нь инерцийн хүч давамгайлж, эргүүлэг, эргүүлэг үүсгэдэг Reynolds-ийн өндөр тоонд ( \(Re > 4000\) ) тохиолддог.
Шингэний урсгалыг хэмжих
Шингэний урсгалыг хэмжих хэд хэдэн арга байдаг бөгөөд энэ нь янз бүрийн инженерийн болон шинжлэх ухааны хэрэглээнд зайлшгүй шаардлагатай байдаг. Үүнд:
- Вентури тоолуур : Бернуллигийн тэгшитгэлийн зарчмыг ашиглан хоолойгоор дамжин өнгөрөх урсгалын хурдыг хэмждэг.
- Питот хоолой : Зогсонги даралт ба статик даралтын зөрүү дээр үндэслэн урсгалын хурдыг хэмждэг.
Дүгнэлт
Шингэний механик нь инженерчлэлээс эхлээд байгалийн шинжлэх ухаан хүртэл өргөн хүрээний үзэгдэл, хэрэглээг хамардаг. Түүний зарчмууд нь янз бүрийн нөхцөлд шингэний үйл ажиллагааг ойлгох, шингэнтэй харьцах системийг зохион бүтээхэд зайлшгүй шаардлагатай. Шингэний статик нь тайван байдалд байгаа шингэний үйл ажиллагааг тайлбарладаг бол шингэний динамик нь хөдөлж буй шингэний хүч, хөдөлгөөнийг судалдаг бөгөөд инженерийн программууд эдгээр зарчмуудыг ашиглан үр ашигтай системийг бий болгож, практик асуудлыг шийдвэрлэхэд ашигладаг.
