Nesteen dynamiikan ymmärtäminen

Nesteen dynamiikka on nesteiden liikkumisen tutkimusta, mukaan lukien niiden vuorovaikutukset, kun kaksi nestettä ovat kosketuksessa toisiinsa. Tässä yhteydessä termi "neste" viittaa kumpaankin neste tai kaasut. Se on makroskooppinen, tilastollinen lähestymistapa näiden vuorovaikutusten analysointiin suuressa mittakaavassa, nesteiden tarkastelemiseen aineen jatkumona ja jättäen yleensä huomioimatta sen tosiasian, että neste tai kaasu koostuu yksilöstä atomia.

Nesteen dynamiikka on yksi nestemekaniikka, toisen haaran ollessa nestemäinen statiikka, nesteiden tutkiminen levossa. (Ehkäpä ei ole yllättävää, nestestaatikot voidaan ajatella olevan vähän vähemmän jännittäviä suurimman osan ajasta kuin nestedynamiikka.)

Jokainen tiede käsittää käsitteet, jotka ovat ratkaisevan tärkeitä sen toiminnan ymmärtämiselle. Tässä on joitain tärkeimmistä, jotka törmäät yrittäessäsi ymmärtää nesteen dynamiikkaa.

Nesteen statiikassa sovellettavat nestekonseptit tulevat myös peliin tutkiessaan liikkuvaa nestettä. Melko varhain nestemekaniikan käsite on

Kun nesteet virtaavat, tiheys ja paine nesteistä ovat myös ratkaisevia ymmärtääksesi miten ne toimivat. viskositeetti määrittää kuinka kestävä neste muuttuu, joten se on myös välttämätöntä tutkittaessa nesteen liikettä. Tässä on joitain muuttujia, jotka ilmenevät näissä analyyseissä:

• Massaviskositeetti: μ
• Tiheys: ρ
• Kinemaattinen viskositeetti: ν = μ / ρ

Koska fluidin dynamiikka sisältää nesteen liikkeen tutkimuksen, yksi ensimmäisistä ymmärrettävistä käsitteistä on se, kuinka fyysikot kvantisoivat liikkeen. Termi, jota fyysikot käyttävät kuvaamaan nesteen liikkeen fysikaalisia ominaisuuksia, on virtaus. Virtaus kuvaa suurta määrää nesteiden liikettä, kuten puhallusta ilman läpi, virtaavan putken läpi tai juoksevan pintaa pitkin. Nesteen virtaus luokitellaan useilla eri tavoilla virtauksen erilaisten ominaisuuksien perusteella.

Jos nesteen liike ei muutu ajan kuluessa, sitä pidetään a tasainen virtaus. Tämä määritetään tilanteessa, jossa kaikki virtauksen ominaisuudet pysyvät ajan suhteen vakiona tai vuorotellen voidaan puhua sanomalla, että virtauskentän aikajohdannaiset katoavat. (Tutustu laskentaan saadaksesi lisätietoja johdannaisten ymmärtämisestä.)

vakaan tilan virtaus on vielä vähemmän ajasta riippuvainen, koska kaikki nesteominaisuudet (ei vain virtausominaisuudet) pysyvät vakiona jokaisessa nesteen pisteessä. Joten jos sinulla oli tasainen virtaus, mutta itse nesteen ominaisuudet muuttuivat jossain vaiheessa (mahdollisesti syyn vuoksi este, joka aiheuttaa ajasta riippuvia väreilyjä tietyissä nesteen osissa), niin sinulla olisi tasainen virtaus, joka on ei vakaan tilan virtaus.

Kaikki vakaan tilan virrat ovat kuitenkin esimerkkejä tasaisista virroista. Vakionopeudella suora putken läpi virtaava virta olisi esimerkki tasavirran virtauksesta (ja myös tasaisesta virtauksesta).

Jos itse virtauksella on ominaisuuksia, jotka muuttuvat ajan myötä, niin sitä kutsutaan an epävakaa virtaus tai a ohimenevä virtaus. Sade, joka virtaa kouruun myrskyn aikana, on esimerkki epävakaasta virtauksesta.

Pääsääntöisesti tasaiset virtaukset helpottavat ongelmien käsittelyä kuin epävakaat virrat, mitä voidaan odottaa ottaen huomioon, että ajasta riippuvia virtauksen muutoksia ei tarvitse ottaa huomioon, ja asiat, jotka ajan myötä muuttuvat, tekevät asioista yleensä enemmän monimutkainen.

Nestemäisellä virtauksella sanotaan olevan laminaari virtaus. Virtauksella, joka sisältää näennäisesti kaoottisen, epälineaarisen liikkeen, sanotaan olevan pyörteinen virtaus. Turbulentti virtaus on määritelmän mukaan epävakaa virtaus.

Molemmat tyyppiset virtaukset voivat sisältää pyöreitä, pyörteitä ja erityyppisiä kierrätyksiä, vaikka mitä enemmän sellaisia ​​käyttäytymismalleja on, sitä todennäköisemmin virtaus luokitellaan turbulenssiksi.

Erotus sen välillä, onko virtaus laminaarinen vai turbulentti, liittyy yleensä virtaukseen Reynoldsin numero (re). Reynolds-luvun laski ensimmäisen kerran vuonna 1951 fyysikko George Gabriel Stokes, mutta se on nimetty 1800-luvun tutkija Osborne Reynoldsin mukaan.

Reynolds-luku ei ole riippuvainen paitsi nesteen ominaispiirteistä, vaan myös sen virtausolosuhteista, johdettu inertiaalivoimien ja viskoosien voimien suhteena seuraavalla tavalla:

re = Inertiavoima / viskoosit voimat

re = (ρVdV/dx) / (μ d²V / dx²)

Termi dV / dx on nopeuden gradientti (tai nopeuden ensimmäinen johdannainen), joka on verrannollinen nopeuteen (V) jaettuna L, joka edustaa pituusasteikkoa, jolloin saadaan dV / dx = V / L. Toinen johdannainen on sellainen, että d²V / dx² = V / L². Niiden korvaaminen ensimmäisellä ja toisella johdannaisella johtaa:

re = (ρ V V/L) / (μ V/L²)

Re = (ρ V L) / μ

Voit myös jakaa pituusasteikolla L, jolloin saadaan a Reynolds-numero per jalka, nimeltään Re f = V / ν.

Matala Reynolds-luku osoittaa sujuvaa, laminaarivirtausta. Korkea Reynolds-luku osoittaa virtauksen, joka aikoo osoittaa pyörreitä ja pyörteitä ja on yleensä turbulentti.

Putken virtaus tarkoittaa virtausta, joka on kosketuksessa jäykien rajojen kanssa kaikilla puolilla, kuten putken läpi kulkeva vesi (tästä nimitys "putken virtaus") tai ilmakanavan läpi liikkuva ilma.

Avoimen kanavan virtaus kuvaa virtausta muissa tilanteissa, joissa on ainakin yksi vapaa pinta, joka ei ole kosketuksessa jäykän rajan kanssa. (Teknisessä mielessä vapaalla pinnalla on 0 yhdensuuntaista leikkausjännitystä.) Avoimen kanavan virtaustapauksiin kuuluu joki läpi kulkeva vesi, tulvat, sateen aikana virtaava vesi, vuorovesivirrat ja kastelukanavat. Näissä tapauksissa virtaavan veden pinta, jossa vesi on kosketuksissa ilman kanssa, edustaa virtauksen "vapaata pintaa".

Putken virtauksia ohjaa joko paine tai painovoima, mutta virtauksia avoimen kanavan tilanteissa ohjaa vain painovoima. Kaupungin vesijärjestelmät käyttävät usein vesitorneja hyödyntääkseen tätä niin, että tornissa olevan veden korkeusero ( hydrodynaaminen pää) luo paine-eron, joka säädetään sitten mekaanisilla pumpuilla veden saamiseksi järjestelmään, missä niitä tarvitaan.

Kaasuja käsitellään yleensä puristuvina nesteinä, koska niitä sisältävää tilavuutta voidaan vähentää. Ilmakanava voidaan pienentää puoleen kooltaan ja kuljettaa silti sama määrä kaasua samalla nopeudella. Vaikka kaasu virtaa ilmakanavan läpi, joillakin alueilla on korkeammat tiheydet kuin muilla alueilla.

Kokoonpuristamattomuus tarkoittaa yleensä, että minkä tahansa nesteen alueen tiheys ei muutu ajan funktiona, kun se liikkuu virtauksen läpi. Nesteet voidaan myös tietenkin pakata, mutta pakkaamisen määrää voidaan rajoittaa enemmän. Tästä syystä nesteet mallinnetaan tyypillisesti kuin ne olisivat puristamattomia.

Bernoullin periaate on toinen avaintekijä fluididynamiikassa, julkaistu Daniel Bernoullin kirjassa 1738 Hydrodynamica. Yksinkertaisesti sanottuna se liittää nesteen nopeuden nousun paineen tai potentiaalisen energian laskuun. Kokoonpuristamattomien nesteiden tapauksessa tämä voidaan kuvata käyttämällä niin kutsuttua Bernoullin yhtälö:

(v²/2) + gz + p/ρ = vakio

Missä g on painovoimasta johtuva kiihtyvyys, ρ on koko nesteen paine, v on nesteen virtausnopeus tietyssä pisteessä, z on korkeus tuossa pisteessä, ja p on paine siinä vaiheessa. Koska tämä on vakio nesteessä, tämä tarkoittaa, että nämä yhtälöt voivat liittyä mihin tahansa kahteen pisteeseen, 1 ja 2, seuraavan yhtälön kanssa:

(v₁²/2) + gz₁ + p₁/ρ = (v₂²/2) + gz₂ + p₂/ρ

Korkeuteen perustuva nesteen paineen ja potentiaalienergian välinen suhde liittyy myös Pascalin lakiin.

Kaksi kolmasosaa maan pinnasta on vettä ja planeettaa ympäröivät ilmakehän kerrokset, joten meitä ympäröivät kirjaimellisesti koko ajan nesteet... melkein aina liikkeessä.

Jos ajatellaan sitä vähän, tästä on melko selvää, että liikkuvien nesteiden vuorovaikutuksia olisi paljon, jotta voimme tutkia ja ymmärtää tieteellisesti. Nesteen dynamiikka tulee tietysti sinne, joten fluidin dynamiikasta löytyviä käsitteitä soveltavista kentistä ei ole pulaa.

Tämä luettelo ei ole ollenkaan tyhjentävä, mutta tarjoaa hyvän yleiskuvan tavoista, joilla nesteiden dynamiikka näkyy fysiikan tutkinnassa useilla erikoisaloilla:

• Valtameri, meteorologia ja ilmastotiede - Koska ilmapiiri on mallinnettu nesteiksi, ilmakehätieteen ja merivirrat, joka on välttämätöntä säämallien ja ilmastosuuntausten ymmärtämiseksi ja ennustamiseksi, riippuu suuresti juoksevasta dynamiikasta.
• Ilmailu - Nesteen dynamiikan fysiikka käsittää ilmavirran tutkimisen vetämisen ja nostamisen aikaansaamiseksi, mikä puolestaan ​​tuottaa voimat, jotka sallivat ilmaa raskaamman lennon.
• Geologia ja geofysiikka - Levytektoniikka siihen sisältyy kuumennetun aineen liikkeen tutkiminen maan nestemäisessä ytimessä.
• Hematologia & hemodynamiikka -Veren biologinen tutkimus sisältää sen verenkierron tutkimuksen verisuonten kautta, ja verenkierto voidaan mallintaa nesteen dynamiikan menetelmillä.
• Plasmafysiikka - Vaikka ei neste tai kaasu, plasma käyttäytyy usein nesteiden kaltaisilla tavoilla, joten voidaan mallintaa myös nesteiden dynamiikkaa käyttämällä.
• Astrofysiikka ja kosmologia - Tähtien evoluutioprosessiin kuuluu tähtien muutos ajan myötä, mikä voidaan ymmärtää tutkimalla kuinka tähtiä yhdistävä plasma virtaa ja vuorovaikutuksessa tähden kanssa ajan myötä.
• Liikenneanalyysi - Ehkä yksi yllättävimmistä fluididynamiikan sovelluksista on ymmärtää liikenteen liikkumista, sekä ajoneuvo- että jalankulkuliikennettä. Alueilla, joilla liikenne on riittävän tiheää, koko liikenteen osaa voidaan pitää yhtenä kokonaisuutena, joka käyttäytyy tavalla, joka on suunnilleen riittävän samanlainen kuin nesteen virtaus.

Nesteen dynamiikkaan viitataan joskus myös nimellä hydrodynamiikka, vaikka tämä onkin enemmän historiallista termiä. Koko 2000-luvun ajan ilmaisua "fluidin dynamiikka" käytettiin paljon yleisemmin.

Teknisesti olisi tarkoituksenmukaisempaa sanoa, että hydrodynamiikka on silloin, kun nesteen dynamiikkaa sovelletaan liikkuviin ja aerodynamiikka on, kun fluidin dynamiikkaa sovelletaan liikkuviin kaasuihin.

Käytännössä erikoistuneet aiheet, kuten hydrodynaaminen stabiilisuus ja magnetohydrodynamiikka, käyttävät kuitenkin "hydro-" etuliitettä, vaikka ne soveltavat näitä käsitteitä kaasujen liikkeeseen.