Panimula sa Fluid Mechanics
Ang fluid mechanics ay isang sangay ng physics na may kinalaman sa pag-uugali ng mga likido (mga likido, gas, at mga plasma) sa pamamahinga at sa paggalaw. Mayroon itong mga aplikasyon sa malawak na hanay ng mga disiplina, kabilang ang mekanikal, sibil, at kemikal na inhinyeriya, geophysics, karagatangrapya, at astrophysics. Ang pag-aaral ng fluid mechanics ay nahahati sa fluid statics , ang pag-aaral ng fluids sa rest, at fluid dynamics , ang pag-aaral ng fluids sa paggalaw.
Mga Katangian ng Fluids
Ang pag-unawa sa fluid mechanics ay nagsisimula sa mga pangunahing katangian na tumutukoy sa gawi ng fluid:
- Density ( \(\rho\) ) : Mass per unit volume ng isang fluid, na nagsasaad kung gaano kasiksik ang mga particle ng fluid.
- Presyon (P) : Puwersa na ginagawa sa bawat unit area ng mga particle ng likido sa ibabaw.
- Lagkit ( \(\mu\) ) : Isang sukat ng paglaban ng likido sa daloy na naglalarawan sa panloob na friction ng gumagalaw na likido.
- Temperatura (T) : Nakakaapekto sa density at lagkit ng likido. Sa pangkalahatan, habang tumataas ang temperatura, bumababa ang density at bumababa ang lagkit para sa mga likido, ngunit tumataas para sa mga gas.
Fluid Statics
Sa fluid statics, ipinapalagay namin na ang mga likido ay nakapahinga o ang kanilang paggalaw ay hindi nakakaimpluwensya sa mga naobserbahang phenomena. Ang pangunahing prinsipyo sa fluid statics ay ang prinsipyo ng Pascal na nagsasaad na ang presyur sa anumang punto sa isang likido sa pamamahinga ay pareho sa lahat ng direksyon. Ang prinsipyong ito ay inilalapat sa mga sistemang haydroliko kung saan ang pagtaas ng presyon ay ipinapadala nang hindi nababawasan sa isang nakapaloob na likido.
Ang isa pang mahalagang konsepto ay ang prinsipyo ni Archimedes na nagsasaad na ang anumang bagay, buo o bahagyang nalulubog sa isang likido, ay itinataas ng puwersa na katumbas ng bigat ng likido na inilipat ng bagay. Ipinapaliwanag ng prinsipyong ito kung bakit lumulutang o lumulubog ang mga bagay.
Fluid Dynamics
Pinag-aaralan ng fluid dynamics ang mga puwersa at ang nagresultang paggalaw sa mga likidong gumagalaw. Mas kumplikado ito kaysa sa fluid statics dahil nagsasangkot ito ng mga karagdagang variable tulad ng velocity at acceleration. Ang mga pangunahing equation na namamahala sa fluid dynamics ay:
- Continuity equation : Nagpapahayag ng konserbasyon ng masa sa daloy ng fluid. Para sa isang incompressible fluid, maaari itong isulat bilang \(\frac{\partial A}{\partial t} + \nabla \cdot (A \vec{v}) = 0\) , kung saan ang \(A\) ay ang cross-sectional area, \(t\) ay oras, at \(\vec{v}\) ay ang velocity vector ng fluid.
- Bernoulli's Equation : Iniuugnay ang bilis ng fluid at ang potensyal na enerhiya nito. Para sa mga incompressible na likido, ito ay ibinibigay ng \(P + \frac{1}{2}\rho v^2 + \rho gh = \textrm{pare-pareho}\) , kung saan ang \(P\) ay ang presyon, \(\rho\) ay ang density, \(v\) ay ang velocity, \(g\) ay ang acceleration dahil sa gravity, at \(h\) ay ang taas sa itaas ng isang reference point.
Mga aplikasyon
Ang fluid mechanics ay inilalapat sa iba't ibang larangan:
- Sa engineering , ginagamit ito sa pagdidisenyo at pagsusuri ng mga sistema ng supply ng tubig, mga air conditioning system, power plant, at sasakyang panghimpapawid.
Sa meteorolohiya , nakakatulong ito sa pag-unawa at pagtataya ng mga pattern ng panahon sa pamamagitan ng pag-aaral ng dynamics ng atmospera.- Sa medikal na agham , ang mga prinsipyo ng fluid mechanics ay inilalapat sa pagsusuri ng daloy ng dugo, ang disenyo ng mga medikal na kagamitan tulad ng mga balbula sa puso, at mga respiratory machine.
- Sa environmental science , nakakatulong ito sa pag-aaral ng dispersion ng polusyon, erosion, at sediment transport sa mga ilog at karagatan.
Mga Pangunahing Eksperimento at Halimbawa
Maraming pangunahing prinsipyo ng fluid mechanics ang mauunawaan sa pamamagitan ng mga simpleng eksperimento at obserbasyon:
- Eksperimento ni Torricelli : Ang pagpapakita ng prinsipyo ni Bernoulli, ang paglalagay ng straw sa isang basong tubig at takpan ang tuktok na dulo ay maiiwasan ang pag-agos ng tubig palabas dahil sa nalikhang pagkakaiba ng presyon. Ang pag-ihip sa itaas ay binabawasan ang presyon, na nagpapahintulot sa tubig na dumaloy palabas.
- Eksperimento sa prinsipyo ni Archimedes : Ito ay maipapakita sa pamamagitan ng paglalagay ng isang bagay sa isang likido at pagmamasid sa pataas na puwersa (buoyancy) na ginagawa ng likido, na katumbas ng bigat ng likidong inilipat.
Mga Pattern ng Daloy ng Fluid
Kapag dumadaloy ang mga likido, nagpapakita sila ng iba't ibang pattern, na ipinaliwanag ng konsepto ng Reynolds number (Re) , na isang walang sukat na dami na ginagamit upang mahulaan ang mga pattern ng daloy sa iba't ibang sitwasyon ng daloy ng fluid. Ang Reynolds number ay tinukoy bilang \(Re = \frac{\rho vL}{\mu}\) , kung saan \(v\) ay ang bilis ng daloy, \(L\) ay isang katangiang linear na dimensyon (tulad ng diameter), at \(\mu\) ay ang dynamic na lagkit ng fluid.
Ang mga pattern ng daloy ay maaaring malawak na inuri sa dalawang uri:
- Laminar flow : Ang mga fluid particle ay gumagalaw sa makinis, maayos na mga layer o stream. Ito ay nangyayari sa mas mababang Reynolds na numero ( \(Re < 2000\) ) kung saan nangingibabaw ang viscous forces.
- Magulong daloy : Ang mga fluid particle ay gumagalaw sa isang magulong paraan. Nangyayari ito sa mas mataas na bilang ng Reynolds ( \(Re > 4000\) ), kung saan nangingibabaw ang mga inertial force, na nagiging sanhi ng mga eddies at vortices.
Pagsukat ng Daloy ng Fluid
Mayroong ilang mga diskarte para sa pagsukat ng daloy ng mga likido, mahalaga para sa iba't ibang mga aplikasyon sa engineering at siyentipiko. Kabilang dito ang:
- Venturi Meter : Gumagamit ng prinsipyo ng equation ni Bernoulli upang sukatin ang daloy ng daloy sa pamamagitan ng pipe.
- Pitot Tube : Sinusukat ang bilis ng daloy batay sa pagkakaiba sa stagnation pressure at static pressure.
Konklusyon
Sinasaklaw ng fluid mechanics ang isang malawak na hanay ng mga phenomena at application, mula sa engineering hanggang sa natural na agham. Ang mga prinsipyo nito ay mahalaga para sa pag-unawa sa pag-uugali ng mga likido sa iba't ibang mga kondisyon at pagdidisenyo ng mga sistema na nakikipag-ugnayan sa mga likido. Bagama't ipinapaliwanag ng fluid statics ang pag-uugali ng mga fluid sa pahinga, ang fluid dynamics ay nag-explore ng mga puwersa at galaw sa mga gumagalaw na fluid, kasama ng mga engineering application na sinasamantala ang mga prinsipyong ito upang lumikha ng mga mahusay na sistema at malutas ang mga praktikal na problema.
