Forstå hva væskedynamikk er

claylib/Getty Images

Væskedynamikk er studiet av bevegelse av væsker, inkludert deres interaksjoner når to væsker kommer i kontakt med hverandre. I denne sammenhengen refererer begrepet 'væske' til enten væske eller gasser . Det er en makroskopisk, statistisk tilnærming til å analysere disse interaksjonene i stor skala, se på væskene som et kontinuum av materie og generelt ignorere det faktum at væsken eller gassen er sammensatt av individuelle atomer.

Væskedynamikk er en av de to hovedgrenene til væskemekanikk , mens den andre grenen er væskestatikk, studiet av væsker i hvile. (Kanskje ikke overraskende kan væskestatikk betraktes som litt mindre spennende mesteparten av tiden enn væskedynamikk.)

Nøkkelbegreper for væskedynamikk

Hver disiplin involverer konsepter som er avgjørende for å forstå hvordan den fungerer. Her er noen av de viktigste du vil komme over når du prøver å forstå væskedynamikk.

Grunnleggende væskeprinsipper

Væskebegrepene som gjelder i væskestatikk spiller også inn når man studerer væske som er i bevegelse. Omtrent det tidligste konseptet innen fluidmekanikk er det av oppdrift , oppdaget i antikkens Hellas av Archimedes .

Når væsker strømmer, vil tetthet og press av væskene er også avgjørende for å forstå hvordan de vil samhandle. De viskositet bestemmer hvor motstandsdyktig væsken er til å endre seg, så er også viktig for å studere væskens bevegelse. Her er noen av variablene som kommer opp i disse analysene:

• Bulk viskositet: m
• Tetthet: r
• KINEMATISK viskositet: n = m / r

Strømme

Siden væskedynamikk involverer studiet av væskens bevegelse, er et av de første konseptene som må forstås hvordan fysikere kvantifiserer den bevegelsen. Begrepet fysikere bruker for å beskrive de fysiske egenskapene til væskebevegelsen er strømme . Flow beskriver et bredt spekter av væskebevegelser, som å blåse gjennom luften, strømme gjennom et rør eller løpe langs en overflate. Strømmen av et fluid er klassifisert på en rekke forskjellige måter, basert på de forskjellige egenskapene til strømmen.

Jevn vs. ustabil flyt

Hvis bevegelsen av væske ikke endres over tid, anses det som en jevn flyt . Dette bestemmes av en situasjon der alle egenskapene til strømningen forblir konstante med hensyn til tid eller vekselvis kan snakkes om ved å si at tidsderivatene til strømningsfeltet forsvinner. (Sjekk ut kalkulus for mer om å forstå derivater.)

EN jevn strøm er enda mindre tidsavhengig fordi alle væskeegenskapene (ikke bare strømningsegenskapene) forblir konstante på hvert punkt i væsken. Så hvis du hadde en jevn strøm, men egenskapene til selve væsken endret seg på et tidspunkt (muligens på grunn av en barriere som forårsaker tidsavhengige krusninger i enkelte deler av væsken), så ville du ha en jevn strøm som er ikke en jevn strøm.

Alle steady-state-strømmer er imidlertid eksempler på jevne strømmer. En strøm som flyter med konstant hastighet gjennom et rett rør vil være et eksempel på en jevn strøm (og også en jevn strøm).

Hvis strømmen i seg selv har egenskaper som endres over tid, kalles den en ustabil flyt eller a forbigående flyt . Regn som renner inn i en renne under en storm er et eksempel på ustabil flyt.

Som en generell regel gir jevne strømmer lettere problemer å håndtere enn ustabile strømmer, som er hva man kan forvente gitt at de tidsavhengige endringene i strømmen ikke må tas i betraktning, og ting som endrer seg over tid vil vanligvis gjøre ting mer komplisert.

Laminær strømning vs. turbulent strømning

En jevn flyt av væske sies å ha laminær strømning . Flow som inneholder tilsynelatende kaotisk, ikke-lineær bevegelse sies å ha Turbulent strømning . Per definisjon er en turbulent strøm en type ustabil strøm.

Begge typer strømmer kan inneholde virvler, virvler og forskjellige typer resirkulering, selv om jo flere slike atferder som eksisterer, desto mer sannsynlig er strømmen klassifisert som turbulent.

Skillet mellom om en strømning er laminær eller turbulent er vanligvis relatert til Reynolds nummer ( Re ). Reynolds-tallet ble først beregnet i 1951 av fysikeren George Gabriel Stokes, men det er oppkalt etter 1800-tallsforskeren Osborne Reynolds.

Reynolds-tallet er ikke bare avhengig av spesifikasjonene til selve væsken, men også av strømningsforholdene, utledet som forholdet mellom treghetskrefter og viskøse krefter på følgende måte:

Re = Treghetskraft / Viskøse krefter

Re = ( r I dv / dx ) / ( m d^toV/dx^to)

Begrepet dV/dx er gradienten til hastigheten (eller den første deriverte av hastigheten), som er proporsjonal med hastigheten ( I ) delt på L , som representerer en lengdeskala, som resulterer i dV/dx = V/L. Den andre deriverte er slik at d^toV/dx^to= V/L^to. Å erstatte disse med de første og andre derivatene resulterer i:

Re = ( ρ V V / L ) / ( m V / L ^to)

Re = ( р V L ) / m

Du kan også dele gjennom med lengdeskalaen L, noe som resulterer i a Reynolds tall per fot , utpekt som Re f = I / n .

Et lavt Reynolds-tall indikerer jevn, laminær strømning. Et høyt Reynolds-tall indikerer en flyt som kommer til å demonstrere virvler og virvler og vil generelt være mer turbulent.

Rørstrøm vs. åpen kanalstrøm

Rørstrøm representerer en strømning som er i kontakt med stive grenser på alle sider, for eksempel vann som beveger seg gjennom et rør (derav navnet 'rørstrøm') eller luft som beveger seg gjennom en luftkanal.

Åpen kanal flyt beskriver strømning i andre situasjoner hvor det er minst én fri overflate som ikke er i kontakt med en stiv grense. (I tekniske termer har den frie overflaten 0 parallelle rene spenninger.) Tilfeller av åpen kanalstrøm inkluderer vann som beveger seg gjennom en elv, flom, vann som strømmer under regn, tidevannsstrømmer og vanningskanaler. I disse tilfellene representerer overflaten av det strømmende vannet, der vannet er i kontakt med luften, den 'frie overflaten' av strømmen.

Strømmer i et rør drives av enten trykk eller tyngdekraft, men strømninger i situasjoner med åpen kanal drives utelukkende av tyngdekraften. Byvannsystemer bruker ofte vanntårn for å dra nytte av dette, slik at høydeforskjellen til vannet i tårnet (den hydrodynamisk hode ) skaper en trykkforskjell, som deretter justeres med mekaniske pumper for å få vann til de stedene i systemet der det trengs.

Komprimerbar vs. Ukomprimerbar

Gasser blir generelt behandlet som komprimerbare væsker fordi volumet som inneholder dem kan reduseres. En luftkanal kan reduseres med halvparten av størrelsen og fortsatt bære samme mengde gass med samme hastighet. Selv når gassen strømmer gjennom luftkanalen, vil noen regioner ha høyere tettheter enn andre regioner.

Som en generell regel betyr det å være inkompressibel at tettheten til et hvilket som helst område av væsken ikke endres som en funksjon av tiden når den beveger seg gjennom strømmen. Væsker kan selvfølgelig også komprimeres, men det er mer en begrensning på mengden komprimering som kan gjøres. Av denne grunn er væsker typisk modellert som om de var inkompressible.

Bernoullis prinsipp

Bernoullis prinsipp er et annet nøkkelelement i væskedynamikk, publisert i Daniel Bernoullis bok fra 1738 Hydrodynamica . Enkelt sagt relaterer det økningen av hastighet i en væske til en reduksjon i trykk eller potensiell energi. For inkomprimerbare væsker kan dette beskrives ved å bruke det som kalles Bernoullis ligning :

( i ^to/2) + gz + s / r = konstant

Hvor g er akselerasjonen på grunn av tyngdekraften, r er trykket i hele væsken, i er væskestrømhastigheten ved et gitt punkt, Med er høyden på det punktet, og s er trykket på det tidspunktet. Fordi dette er konstant i en væske, betyr dette at disse ligningene kan relatere alle to punkter, 1 og 2, med følgende ligning:

( i ₁^to/2) + gz ₁+ s ₁/ r = ( i _to^to/2) + gz _to+ s _to/ r

Forholdet mellom trykk og potensiell energi til en væske basert på høyde er også relatert gjennom Pascals lov.

Anvendelser av Fluid Dynamics

To tredjedeler av jordens overflate er vann og planeten er omgitt av lag med atmosfære, så vi er bokstavelig talt omgitt til enhver tid av væsker ... nesten alltid i bevegelse.

Når vi tenker litt på det, gjør dette det ganske åpenbart at det ville være mange interaksjoner av flytende væsker for oss å studere og forstå vitenskapelig. Det er selvfølgelig her fluiddynamikk kommer inn, så det er ingen mangel på felt som anvender konsepter fra fluiddynamikk.

Denne listen er slett ikke uttømmende, men gir en god oversikt over hvordan væskedynamikk dukker opp i fysikkstudiet på tvers av en rekke spesialiseringer:

Oseanografi, meteorologi og klimavitenskap - Siden atmosfæren er modellert som væsker, studiet av atmosfærisk vitenskap og havstrømmer , avgjørende for å forstå og forutsi værmønstre og klimatrender, er sterkt avhengig av flytende dynamikk. Luftfart – Fysikken til væskedynamikk innebærer å studere luftstrømmen for å skape drag og løft, som igjen genererer kreftene som tillater tyngre enn luft-flukt.
• Geologi og geofysikk - Platetektonikk innebærer å studere bevegelsen til det oppvarmede materialet i den flytende kjernen av jorden.
• Hematologi og Hemodynamikk - Den biologiske studien av blod inkluderer studiet av dets sirkulasjon gjennom blodkar, og blodsirkulasjonen kan modelleres ved hjelp av metodene for væskedynamikk.
Plasmafysikk - Selv om verken en væske eller en gass, plasma oppfører seg ofte på måter som ligner på væsker, så kan også modelleres ved hjelp av væskedynamikk.
• Astrofysikk og kosmologi - Prosessen med stjerneutvikling involverer forandring av stjerner over tid, noe som kan forstås ved å studere hvordan plasmaet som utgjør stjernene flyter og samhandler i stjernen over tid.
Trafikkanalyse - Kanskje en av de mest overraskende anvendelsene av væskedynamikk er å forstå trafikkens bevegelser, både kjøretøy og fotgjengertrafikk. I områder der trafikken er tilstrekkelig tett, kan hele trafikken behandles som en enkelt enhet som oppfører seg på måter som er omtrent lik strømmen av en væske.

Alternative navn på væskedynamikk

Væskedynamikk blir også noen ganger referert til som hydrodynamikk , selv om dette er mer et historisk begrep. Gjennom det tjuende århundre ble uttrykket 'væskedynamikk' mye mer vanlig brukt.

Teknisk sett ville det være mer passende å si at hydrodynamikk er når væskedynamikk brukes på væsker i bevegelse og aerodynamikk er når væskedynamikk brukes på gasser i bevegelse.

Men i praksis bruker spesialiserte emner som hydrodynamisk stabilitet og magnetohydrodynamikk prefikset 'hydro-' selv når de bruker disse konseptene på bevegelse av gasser.