फ्लुइड मेकानिक्स को परिचय
तरल पदार्थ (तरल पदार्थ, ग्याँस र प्लाज्मा) आराम र गति मा व्यवहार संग सम्बन्धित भौतिक विज्ञान को एक शाखा हो। यससँग मेकानिकल, सिभिल, र केमिकल इन्जिनियरिङ्, भूभौतिकी, समुद्र विज्ञान, र खगोल भौतिकी सहित विभिन्न विषयहरूमा अनुप्रयोगहरू छन्। फ्लुइड मेकानिक्सको अध्ययनलाई फ्लुइड स्ट्याटिक्स , आराममा तरल पदार्थको अध्ययन, र फ्लुइड डायनामिक्स , तरल पदार्थको गतिको अध्ययनमा विभाजन गरिएको छ।
तरल पदार्थ को गुण
तरल पदार्थ मेकानिक्स बुझ्ने मुख्य गुणहरूबाट सुरु हुन्छ जसले तरल पदार्थको व्यवहारलाई परिभाषित गर्दछ:
- घनत्व ( \(\rho\) ) : तरल पदार्थको कणहरू कत्तिको कम्प्याक्ट छन् भनेर संकेत गर्ने तरल पदार्थको प्रति एकाइ मात्रा।
- दबाव (P) : सतहमा तरल कणहरू द्वारा प्रति एकाइ क्षेत्र बल लगाईन्छ।
- चिपचिपापन ( \(\mu\) ) : तरल पदार्थको प्रवाह प्रतिरोधको मापन जसले चलिरहेको तरल पदार्थको आन्तरिक घर्षणलाई वर्णन गर्दछ।
- तापक्रम (T) : तरल पदार्थको घनत्व र चिपचिपापनलाई असर गर्छ। सामान्यतया, तापक्रम बढ्दै जाँदा, घनत्व घट्छ र तरल पदार्थहरूको लागि चिपचिपाहट घट्छ, तर ग्यासहरूको लागि बढ्छ।
फ्लुइड स्ट्याटिक्स
तरल पदार्थको स्थितिमा, हामी तरल पदार्थहरू आराममा छन् वा तिनीहरूको आन्दोलनले अवलोकन गरिएको घटनालाई असर गर्दैन भन्ने अनुमान गर्छौं। तरल अवस्थाको मुख्य सिद्धान्त पास्कलको सिद्धान्त हो जसले तरल पदार्थमा कुनै पनि बिन्दुमा दबाब सबै दिशाहरूमा समान हुन्छ भनी बताउँछ। यो सिद्धान्त हाइड्रोलिक प्रणालीहरूमा लागू हुन्छ जहाँ दबाबमा वृद्धि एक बन्द तरल पदार्थमा कम नगरी प्रसारित हुन्छ।
अर्को महत्त्वपूर्ण अवधारणा आर्किमिडीजको सिद्धान्त हो जसले बताउँछ कि कुनै पनि वस्तु, पूर्ण वा आंशिक रूपमा तरल पदार्थमा डुबेको, वस्तुद्वारा विस्थापित तरल पदार्थको वजन बराबरको बलद्वारा माथि उठ्छ। यो सिद्धान्तले बस्तुहरू किन तैर्छन् वा डुब्छन् भनेर बताउँछ।
तरल गतिशीलता
तरल गतिशीलताले गतिमा तरल पदार्थहरूमा बल र परिणामस्वरूप गतिको अध्ययन गर्दछ। यो तरल स्थिरता भन्दा बढी जटिल छ किनकि यसले वेग र त्वरण जस्ता अतिरिक्त चरहरू समावेश गर्दछ। तरल गतिशीलता शासित आधारभूत समीकरणहरू हुन्:
- निरन्तरता समीकरण : तरल प्रवाहमा द्रव्यमानको संरक्षण व्यक्त गर्दछ। एक अस्पष्ट तरल पदार्थको लागि, यसलाई \(\frac{\partial A}{\partial t} + \nabla \cdot (A \vec{v}) = 0\) रूपमा लेख्न सकिन्छ, जहाँ \(A\) हो। क्रस-सेक्शनल क्षेत्र, \(t\) समय हो, र \(\vec{v}\) तरल पदार्थको वेग वेक्टर हो।
- बर्नोलीको समीकरण : तरल पदार्थको गति र यसको सम्भावित ऊर्जासँग सम्बन्धित छ। असंपीडित तरल पदार्थहरूको लागि, यो \(P + \frac{1}{2}\rho v^2 + \rho gh = \textrm{स्थिर}\) द्वारा दिइएको छ, जहाँ \(P\) दबाब हो, \(\rho\) घनत्व हो, \(v\) वेग हो, \(g\) गुरुत्वाकर्षणको कारण प्रवेग हो, र \(h\) सन्दर्भ बिन्दु भन्दा माथिको उचाई हो।
अनुप्रयोगहरू
तरल मेकानिक्स विभिन्न क्षेत्रहरूमा लागू गरिन्छ:
- ईन्जिनियरिङ् मा, यो पानी आपूर्ति प्रणाली, वातानुकूलित प्रणाली, पावर प्लान्ट, र विमान डिजाइन र विश्लेषण मा प्रयोग गरिन्छ।
मौसम विज्ञानमा , यसले वायुमण्डलको गतिशीलता अध्ययन गरेर मौसमको ढाँचा बुझ्न र पूर्वानुमान गर्न मद्दत गर्दछ।- चिकित्सा विज्ञानमा , तरल मेकानिक्सका सिद्धान्तहरू रक्त प्रवाह विश्लेषण, मुटुका भल्भहरू र श्वासप्रश्वासका मेसिनहरू जस्ता चिकित्सा उपकरणहरूको डिजाइनमा लागू गरिन्छ।
- वातावरणीय विज्ञानमा , यसले नदी र महासागरहरूमा प्रदूषण फैलावट, क्षरण, र तलछट यातायातको अध्ययनमा मद्दत गर्दछ।
मुख्य प्रयोग र उदाहरणहरू
तरल मेकानिक्सका धेरै आधारभूत सिद्धान्तहरू सरल प्रयोग र अवलोकनहरू मार्फत बुझ्न सकिन्छ:
- Torricelli को प्रयोग : Bernoulli को सिद्धान्त प्रदर्शन गर्दै, एक गिलास पानी मा एक पराल राखेर र माथिल्लो छेउ छोप्ने दबाव भिन्नता को कारण पानी बाहिर बहनबाट रोक्छ। माथिबाट उडाउँदा दबाव कम हुन्छ, पानी बाहिर निस्कन अनुमति दिन्छ।
- आर्किमिडीजको सिद्धान्त प्रयोग : कुनै वस्तुलाई तरल पदार्थमा राखेर र तरल पदार्थले विस्थापित तरलको वजन बराबर हुने माथिल्लो शक्ति (उछाल) हेरेर यसलाई देखाउन सकिन्छ।
तरल पदार्थ प्रवाह पैटर्न
जब तरल पदार्थ प्रवाह हुन्छ, तिनीहरूले विभिन्न ढाँचाहरू प्रदर्शन गर्छन्, रेनोल्ड्स नम्बर (Re) को अवधारणाद्वारा व्याख्या गरिएको छ, जुन विभिन्न तरल प्रवाह अवस्थाहरूमा प्रवाह ढाँचाहरूको भविष्यवाणी गर्न प्रयोग गरिने आयामरहित मात्रा हो। रेनोल्ड्स नम्बरलाई \(Re = \frac{\rho vL}{\mu}\) को रूपमा परिभाषित गरिएको छ, जहाँ \(v\) प्रवाह वेग हो, \(L\) एक विशेषता रैखिक आयाम हो (जस्तै व्यास), र \(\mu\) तरल पदार्थको गतिशील चिपचिपाहट हो।
प्रवाह ढाँचाहरू व्यापक रूपमा दुई प्रकारमा वर्गीकृत गर्न सकिन्छ:
- लामिनार प्रवाह : तरल कणहरू चिकनी, व्यवस्थित तह वा धाराहरूमा सर्छन्। यो तल्लो रेनल्ड्स नम्बरहरूमा हुन्छ ( \(Re < 2000\) ) जहाँ चिपचिपा बलहरू प्रबल हुन्छन्।
- अशान्त प्रवाह : तरल कणहरू अराजक तरिकामा सर्छन्। यो उच्च रेनल्ड्स संख्याहरूमा हुन्छ ( \(Re > 4000\) ), जहाँ जडत्व बलहरू हावी हुन्छन्, जसले एडीज र भोर्टिसहरू निम्त्याउँछ।
तरल पदार्थ प्रवाह मापन
तरल पदार्थको प्रवाह नाप्नका लागि धेरै प्रविधिहरू अवस्थित छन्, विभिन्न ईन्जिनियरिङ् र वैज्ञानिक अनुप्रयोगहरूको लागि आवश्यक। यी समावेश छन्:
- भेन्टुरी मिटर : पाइप मार्फत प्रवाह दर मापन गर्न बर्नोलीको समीकरणको सिद्धान्त प्रयोग गर्दछ।
- Pitot Tube : स्थिर दबाव र स्थिर दबाव मा भिन्नता को आधार मा प्रवाह वेग मापन गर्दछ।
निष्कर्ष
फ्लुइड मेकानिक्सले इन्जिनियरिङदेखि प्राकृतिक विज्ञानसम्मका घटना र अनुप्रयोगहरूको विशाल दायरालाई समेट्छ। यसको सिद्धान्तहरू विभिन्न अवस्थाहरूमा तरल पदार्थको व्यवहार बुझ्न र तरलहरूसँग अन्तरक्रिया गर्ने प्रणालीहरू डिजाइन गर्न आवश्यक छन्। तरल स्थिरताले आराममा तरल पदार्थको व्यवहारको व्याख्या गर्दा, तरलता गतिशीलताले तरल पदार्थमा बल र गतिहरू अन्वेषण गर्दछ, ईन्जिनियरिङ् अनुप्रयोगहरूले कुशल प्रणालीहरू सिर्जना गर्न र व्यावहारिक समस्याहरू समाधान गर्न यी सिद्धान्तहरूको शोषणको साथ।
