ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับกลศาสตร์ของไหล
กลศาสตร์ของไหล เป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับพฤติกรรมของ ของไหล (ของเหลว ก๊าซ และพลาสมา) ที่อยู่นิ่งและเคลื่อนไหว มีการใช้งานในหลากหลายสาขาวิชา รวมถึงวิศวกรรมเครื่องกล โยธา และเคมี ธรณีฟิสิกส์ สมุทรศาสตร์ และฟิสิกส์ดาราศาสตร์ การศึกษากลศาสตร์ของไหลแบ่งออกเป็น สถิตยศาสตร์ของไหล การศึกษาของไหลที่อยู่นิ่ง และ พลศาสตร์ของของไหล การศึกษาของไหลในการเคลื่อนที่
คุณสมบัติของของไหล
การทำความเข้าใจกลศาสตร์ของไหลเริ่มต้นด้วยคุณสมบัติหลักที่กำหนดพฤติกรรมของของไหล:
- ความหนาแน่น ( \(\rho\) ) : มวลต่อหน่วยปริมาตรของของไหล ซึ่งบ่งชี้ว่าอนุภาคของของไหลมีขนาดกะทัดรัดเพียงใด
- ความดัน (P) : แรงที่กระทำต่อหน่วยพื้นที่โดยอนุภาคของเหลวบนพื้นผิว
- ความหนืด ( \(\mu\) ) : การวัดความต้านทานการไหลของของไหลซึ่งอธิบายแรงเสียดทานภายในของของไหลที่กำลังเคลื่อนที่
- อุณหภูมิ (T) : ส่งผลต่อความหนาแน่นและความหนืดของของเหลว โดยทั่วไป เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความหนาแน่นจะลดลง และความหนืดลดลงสำหรับของเหลว แต่จะเพิ่มขึ้นสำหรับก๊าซ
สถิตยศาสตร์ของไหล
ในสถิตยศาสตร์ของไหล เราถือว่าของไหลอยู่นิ่งหรือการเคลื่อนที่ของของไหลไม่ส่งผลต่อปรากฏการณ์ที่สังเกตได้ หลักการสำคัญในสถิตยศาสตร์ของไหลคือ หลักการของปาสกาล ซึ่งระบุว่าความดันที่จุดใดๆ ในของไหลที่อยู่นิ่งจะเท่ากันในทุกทิศทาง หลักการนี้ถูกนำไปใช้ในระบบไฮดรอลิกซึ่งมีการส่งผ่านแรงดันที่เพิ่มขึ้นโดยไม่ลดลงในของไหลที่ปิดอยู่
แนวคิดที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือ หลักการของอาร์คิมิดีส ซึ่งระบุว่าวัตถุใดก็ตามที่จมอยู่ในของเหลวทั้งหมดหรือบางส่วน จะถูกพยุงขึ้นด้วยแรงเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่วัตถุนั้นแทนที่ หลักการนี้อธิบายว่าทำไมวัตถุจึงลอยหรือจม
พลศาสตร์ของไหล
พลศาสตร์ของไหลเป็นการศึกษาแรงและผลการเคลื่อนที่ของของไหลที่กำลังเคลื่อนที่ มันซับซ้อนกว่าสถิตยศาสตร์ของไหลเนื่องจากเกี่ยวข้องกับตัวแปรเพิ่มเติม เช่น ความเร็วและความเร่ง สมการพื้นฐานที่ควบคุมพลศาสตร์ของไหลคือ:
- สมการความต่อเนื่อง : แสดงการอนุรักษ์มวลในการไหลของของไหล สำหรับของไหลที่ไม่สามารถอัดตัวได้ สามารถเขียนได้เป็น \(\frac{\partial A}{\partial t} + \nabla \cdot (A \vec{v}) = 0\) โดยที่ \(A\) คือ พื้นที่หน้าตัด \(t\) คือเวลา และ \(\vec{v}\) คือเวกเตอร์ความเร็วของของไหล
- สมการเบอร์นูลลี : เกี่ยวข้องกับความเร็วของของไหลและพลังงานศักย์ สำหรับของไหลที่ไม่สามารถอัดตัวได้ กำหนดโดย \(P + \frac{1}{2}\rho v^2 + \rho gh = \textrm{คงที่}\) โดยที่ \(P\) คือความดัน \(\rho\) คือความหนาแน่น \(v\) คือความเร็ว \(g\) คือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง และ \(h\) คือความสูงเหนือจุดอ้างอิง
การใช้งาน
กลศาสตร์ของไหลถูกนำไปใช้ในด้านต่างๆ:
- ในทาง วิศวกรรม ใช้ในการออกแบบและวิเคราะห์ระบบประปา ระบบปรับอากาศ โรงไฟฟ้า และเครื่องบิน
ในด้าน อุตุนิยมวิทยา ช่วยในการทำความเข้าใจและพยากรณ์รูปแบบสภาพอากาศโดยการศึกษาพลวัตของบรรยากาศ- ใน วิทยาศาสตร์การแพทย์ หลักการของกลศาสตร์ของไหลถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์การไหลเวียนของเลือด การออกแบบอุปกรณ์ทางการแพทย์ เช่น ลิ้นหัวใจ และเครื่องช่วยหายใจ
- ใน สาขาวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม ช่วยในการศึกษาการกระจายตัวของมลพิษ การกัดเซาะ และการเคลื่อนย้ายตะกอนในแม่น้ำและมหาสมุทร
การทดลองและตัวอย่างที่สำคัญ
หลักการพื้นฐานหลายประการของกลศาสตร์ของไหลสามารถเข้าใจได้ด้วยการทดลองและการสังเกตง่ายๆ:
- การทดลองของทอร์ริเชลลี : การสาธิตหลักการของเบอร์นูลลี การวางหลอดไว้ในแก้วน้ำแล้วปิดปลายด้านบนไว้จะป้องกันไม่ให้น้ำไหลออกเนื่องจากความแตกต่างของแรงดันที่เกิดขึ้น การเป่าลมด้านบนจะช่วยลดแรงดันทำให้น้ำไหลออกได้
- การทดลองหลักของอาร์คิมิดีส : สามารถสาธิตได้โดยการวางวัตถุไว้ในของไหลและสังเกตแรงลอยตัว (การลอยตัว) ที่กระทำโดยของไหล ซึ่งเท่ากับน้ำหนักของของไหลที่ถูกแทนที่
รูปแบบการไหลของของไหล
เมื่อของไหลไหล พวกมันจะแสดงรูปแบบที่แตกต่างกัน อธิบายได้ด้วยแนวคิดเรื่อง เลขเรย์โนลด์ส (Re) ซึ่งเป็นปริมาณไร้มิติที่ใช้ในการทำนายรูปแบบการไหลในสถานการณ์การไหลของของไหลที่แตกต่างกัน เลขเรย์โนลด์สถูกกำหนดเป็น \(Re = \frac{\rho vL}{\mu}\) โดยที่ \(v\) คือความเร็วการไหล \(L\) คือมิติเชิงเส้นที่มีลักษณะเฉพาะ (เช่น เส้นผ่านศูนย์กลาง) และ \(\mu\) คือความหนืดไดนามิกของของไหล
รูปแบบการไหลสามารถแบ่งกว้าง ๆ ได้เป็น 2 ประเภท:
- การไหลแบบลามินาร์ : อนุภาคของของไหลเคลื่อนที่ในชั้นหรือลำธารที่ราบรื่นและเป็นระเบียบ สิ่งนี้เกิดขึ้นที่เลขเรย์โนลด์สตอนล่าง ( \(Re < 2000\) ) โดยมีแรงหนืดครอบงำ
- การไหลแบบปั่นป่วน : อนุภาคของของไหลเคลื่อนที่ในลักษณะที่ไม่เป็นระเบียบ สิ่งนี้เกิดขึ้นที่เลขเรย์โนลด์สที่สูงกว่า ( \(Re > 4000\) ) โดยที่แรงเฉื่อยครอบงำ ทำให้เกิดกระแสน้ำวนและกระแสน้ำวน
การวัดการไหลของของไหล
มีเทคนิคหลายประการในการวัดการไหลของของไหล ซึ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานด้านวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์ต่างๆ ซึ่งรวมถึง:
- Venturi Meter : ใช้หลักการของสมการเบอร์นูลลีในการวัดอัตราการไหลผ่านท่อ
- ท่อ Pitot : วัดความเร็วการไหลโดยพิจารณาจากความแตกต่างของความดันเมื่อยล้าและความดันสถิต
บทสรุป
กลศาสตร์ของไหลประกอบด้วยปรากฏการณ์และการประยุกต์ที่หลากหลาย ตั้งแต่วิศวกรรมไปจนถึงวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ หลักการนี้มีความจำเป็นสำหรับการทำความเข้าใจพฤติกรรมของของไหลในสภาวะต่างๆ และการออกแบบระบบที่มีปฏิกิริยากับของไหล แม้ว่าสถิติของของไหลจะอธิบายพฤติกรรมของของไหลที่อยู่นิ่ง พลศาสตร์ของของไหลจะสำรวจแรงและการเคลื่อนที่ของของไหลที่กำลังเคลื่อนที่ โดยการประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรมใช้ประโยชน์จากหลักการเหล่านี้เพื่อสร้างระบบที่มีประสิทธิภาพและแก้ปัญหาในทางปฏิบัติ
