הבנת מהי דינמיקה של נוזלים

דינמיקת נוזלים היא לימוד התנועה של נוזלים, כולל האינטראקציות שלהם כששני נוזלים באים במגע זה עם זה. בהקשר זה, המונח "נוזל" מתייחס לאחד מהם נוזלים או גזים. זוהי גישה מקרוסקופית וסטטיסטית לניתוח אינטראקציות אלה בקנה מידה גדול, תוך צפייה בנוזלים כהמשכיות של חומר ובאופן כללי להתעלם מהעובדה שהנוזל או הגז מורכב מאינדיבידואל אטומים.

דינמיקת נוזלים היא אחד משני הענפים העיקריים של מכניקת נוזלים, כאשר הסניף האחר הוא סטטיסטיקת נוזלים, חקר הנוזלים במנוחה. (אולי באופן לא מפתיע, סטטיסטיקות נוזלים נחשבות לרוב מעט פחות מרגשות מאשר דינמיקת נוזלים.)

כל תחום כרוך במושגים החשובים להבנת אופן פעולתם. להלן כמה מהעיקריות שתקל בהן כשאתה מנסה להבין את הדינמיקה הנוזלית.

מושגי הנוזלים החלים בסטטיסטיקת נוזלים נכנסים לפעולה גם כאשר לומדים נוזלים הנמצאים בתנועה. התפיסה המוקדמת ביותר בתחום מכניקת הנוזלים היא של ציפה, התגלה ב יוון העתיקה על ידי ארכימדס.

כאשר נוזלים זורמים, צפיפות ו לחץ הנוזלים מכריעים גם להבנת האופן בו הם יפעלו. ה צמיגות קובע עד כמה הנוזל עמיד בפני שינוי, ולכן חיוני גם בלימוד התנועה של הנוזל. להלן כמה מהמשתנים העולים בניתוחים אלה:

• צמיגות גורפת: μ
• צפיפות: ρ
• צמיגות קינמטית: ν = μ / ρ

מכיוון שדינמיקת הנוזלים כוללת לימוד תנועת הנוזלים, אחד המושגים הראשונים שצריך להבין הוא כיצד פיזיקאים מכמתים את התנועה הזו. המונח בו משתמשים הפיזיקאים כדי לתאר את התכונות הפיזיות של תנועת הנוזל הוא זרימה. זרימה מתארת ​​מגוון רחב של תנועות נוזלים, כגון ניפוח באוויר, זרימה בצינור או ריצה לאורך משטח. זרימת הנוזל מסווגת במגוון דרכים שונות, על סמך המאפיינים השונים של הזרימה.

אם תנועת הנוזל לא משתנה לאורך זמן, היא נחשבת לא זרם יציב. זה נקבע על ידי מצב בו כל המאפיינים של הזרימה נשארים קבועים ביחס לזמן או לסירוגין ניתן לדבר עליהם באומרו שנגזרות הזמן של שדה הזרימה נעלמות. (עיין בחישוב לקבלת מידע נוסף על הבנת נגזרים.)

א זרימה במצב יציב תלוי עוד פחות זמן מכיוון שכל תכונות הנוזלים (לא רק תכונות הזרימה) נשארות קבועות בכל נקודה בתוך הנוזל. אז אם הייתה לך זרימה קבועה, אבל תכונות הנוזל עצמו השתנו בשלב מסוים (יתכן בגלל מחסום הגורם אדוות תלויות זמן בחלקים מסוימים של הנוזל), אז תהיה לכם זרימה קבועה לא זרימה במצב קבוע.

עם זאת, כל הזרמים במצב יציב הם דוגמאות לזרמים קבועים. זרם הזורם בקצב קבוע דרך צינור ישר יהיה דוגמא לזרימה במצב קבוע (וגם זרימה קבועה).

אם לזרימה עצמה יש תכונות המשתנות לאורך זמן, זה נקרא זרימה לא יציבה או א זרימה חולפת. גשם הזורם למרזב במהלך סערה הוא דוגמא לזרימה לא יציבה.

ככלל, זרמים קבועים מאפשרים בעיות קלות יותר להתמודד איתן מאשר זרמים לא יציבים, וזה מה שאפשר היה לצפות בהתחשב בכך שה לא צריך לקחת בחשבון שינויים תלויים בזמן, ודברים שמשתנים עם הזמן בדרך כלל יהפכו את הדברים ליותר מורכב.

יש לומר כי זרימת נוזלים חלקה זרימה למינרית. יש לומר כי זרימה המכילה תנועה כאוטית לכאורה ולא ליניארית זרימה סוערת. בהגדרה, זרימה סוערת היא סוג של זרימה לא יציבה.

שני סוגים של זרימות עשויים להכיל אורות, מערבולות וסוגים שונים של מחזור הדם, אם כי ככל שהתנהגויות כאלה קיימות, כך גדל הסיכוי שהזרימה תסווג כסוערת.

ההבחנה בין זרימה למינרית או סוערת קשורה בדרך כלל לזרם מספר ריינולדס (Re). מספר ריינולדס חושב לראשונה בשנת 1951 על ידי הפיזיקאי ג'ורג 'גבריאל סטוקס, אך הוא נקרא על שם המדען מהמאה ה -19 אוסבורן ריינולדס.

מספר ריינולדס תלוי לא רק בפרטי הנוזל עצמו אלא גם בתנאי זרימתו, הנגזרים כיחס בין כוחות האינרציה לכוחות צמיגיים באופן הבא:

Re = כוח אינרציאלי / כוחות צמיגים

Re = (ρVdV/dx) / (μ ד²V / dx²)

המונח dV / dx הוא שיפוע המהירות (או הנגזרת הראשונה של המהירות), שהיא פרופורציונאלית למהירות (V) מחולק ב ל, המייצג סולם אורך, וכתוצאה מכך dV / dx = V / L. הנגזרת השנייה היא כזו שד²V / dx² = V / L². החלפת אלה עבור הנגזרים הראשונים והשניים גורמת ל:

Re = (ρ V V/ל) / (μ V/ל²)

Re = (ρ V L) / μ

אתה יכול גם להתחלק בסולם האורך L, וכתוצאה מכך א מספר ריינולדס למטר, מיועד כ Re f = V / ν.

מספר ריינולדס נמוך מצביע על זרימה למינרית חלקה. מספר ריינולדס גבוה מצביע על זרימה שעומדת להפגין אדיות וסובלות ובדרך כלל תהיה סוערת יותר.

זרימת צינור מייצג זרימה שנמצאת במגע עם גבולות נוקשים מכל הצדדים, כמו מים הנעים דרך צינור (מכאן השם "זרימת צינור") או אוויר הנע דרך צינור אוויר.

זרימת ערוץ פתוח מתאר זרימה במצבים אחרים שבהם יש לפחות משטח חופשי אחד שאינו במגע עם גבול נוקשה. (במונחים טכניים, המשטח החופשי כולל 0 מתח עצום מקביל.) מקרים של זרימת ערוץ פתוח כוללים מים העוברים בנהר, שיטפונות, מים שזורמים במהלך גשם, זרמי גאות ושפל ותעלות השקיה. במקרים אלה, פני המים הזורמים, בהם המים במגע עם האוויר, מייצגים את "המשטח החופשי" של הזרימה.

זרימות בצינור מונעות על ידי לחץ או כוח משיכה, אך זרימות במצבים של ערוץ פתוח מונעות אך ורק על ידי כוח הכבידה. מערכות מים עירוניות משתמשים לרוב במגדלי מים כדי לנצל זאת, כך שהבדל הגובה של המים במגדל ( ראש הידרודינמי) יוצר הפרש לחץ, שמותאם לאחר מכן באמצעות משאבות מכניות כדי להביא מים למקומות במערכת בהם הם נדרשים.

בדרך כלל מטפלים בגזים כנוזלים דחוסים מכיוון שניתן להפחית את הנפח המכיל אותם. ניתן להפחית צינור אוויר בחצי מהגודל ועדיין לשאת את אותה כמות גז באותה קצב. אפילו כאשר הגז זורם דרך צינור האוויר, אזורים מסוימים יהיו בעלי צפיפות גבוהה יותר מאשר באזורים אחרים.

ככלל, אי-דחיסה פירושו כי צפיפות איזור כלשהו של הנוזל אינה משתנה כפונקציה של זמן כאשר היא עוברת בזרימה. ניתן גם לדחוס נוזלים כמובן, אך יש יותר מגבלה על כמות הדחיסה שניתן לעשות. מסיבה זו, נוזלים מדגימים בדרך כלל כאילו הם אינם דחוסים.

העיקרון של ברנולי הוא מרכיב מרכזי נוסף בדינמיקת הנוזלים, שפורסם בספרו של דניאל ברנולי משנת 1738 הידרודינמיקה. במילים פשוטות, זה קשור את עליית המהירות בנוזל לירידה בלחץ או באנרגיה פוטנציאלית. לגבי נוזלים לא דחוסים ניתן לתאר זאת באמצעות מה שמכונה המשוואה של ברנולי:

(v²/2) + gz + ע/ρ = קבוע

איפה ז היא ההאצה כתוצאה מכוח הכבידה, ρ הוא הלחץ בכל הנוזל, v הוא מהירות זרימת הנוזל בנקודה נתונה, ז היא הגובה באותה נקודה, ו ע הוא הלחץ באותה נקודה. מכיוון שזה קבוע בתוך נוזל, המשמעות היא שהמשוואות הללו יכולות לקשר בין שתי נקודות, 1 ו -2, עם המשוואה הבאה:

(v₁²/2) + gz₁ + ע₁/ρ = (v₂²/2) + gz₂ + ע₂/ρ

הקשר בין לחץ ואנרגיה פוטנציאלית של נוזל על בסיס הגבהה קשור גם באמצעות החוק של פסקל.

שני שליש משטח כדור הארץ הם מים וכוכב הלכת מוקף בשכבות של אטמוספרה, ולכן אנו מוקפים ממש בכל עת על ידי נוזלים... כמעט תמיד בתנועה.

אם חושבים על זה קצת, זה הופך את זה למובן מאליו שיהיו הרבה אינטראקציות של נוזלים נעים שנוכל ללמוד ולהבין מדעית. כאן נכנס כמובן דינמיקת הנוזלים, כך שלא חסרים שדות המיישמים מושגים מדינמיקת הנוזלים.

רשימה זו אינה ממצה כלל, אך מספקת סקירה טובה של דרכים בהן מופיעות דינמיקות נוזלים בחקר הפיזיקה במגוון תחומי ההתמחות:

• אוקיאנוגרפיה, מטאורולוגיה ומדעי אקלים מכיוון שהאטמוספרה מעוצבת כנוזלים, חקר המדע האטמוספרי זרמי אוקיינוס, חיוני להבנה ולחיזוי דפוסי מזג האוויר ומגמות האקלים, נשען מאוד על דינמיקת הנוזלים.
• אווירונאוטיקה - הפיזיקה של דינמיקת הנוזלים כוללת לימוד זרימת האוויר ליצירת גרור והרמה, אשר בתורם מייצרים את הכוחות המאפשרים טיסה כבדה-מהאוויר.
• גיאולוגיה וגיאופיזיקה - טקטוניקת צלחות כולל לימוד תנועת החומר המחומם בתוך הליבה הנוזלית של כדור הארץ.
• המטולוגיה & המודינמיקה -המחקר הביולוגי של הדם כולל את מחזור זרימתו דרך כלי הדם, וניתן למודל את מחזור הדם בשיטות של דינמיקת הנוזלים.
• פיזיקת פלזמה - אף כי לא נוזל ולא גז, פלזמה לעתים קרובות מתנהג בדרכים הדומות לנוזלים, כך שניתן גם למודל בעזרת דינמיקת נוזלים.
• אסטרופיסיקה וקוסמולוגיה - תהליך האבולוציה של הכוכבים כרוך בשינוי הכוכבים לאורך זמן, וניתן להבין אותו על ידי לימוד כיצד הפלזמה המרכיבה את הכוכבים זורמת ומתקיימת אינטראקציה בתוך הכוכב לאורך זמן.
• ניתוח תנועה - אולי אחד היישומים המפתיעים ביותר של דינמיקת הנוזלים הוא בהבנת תנועת התנועה, תנועת כלי רכב ותנועה הולכי רגל. באזורים שבהם התנועה צפופה מספיק, ניתן להתייחס לכל גוף התנועה כאל ישות אחת שמתנהגת בדרכים דומות במידה מספקת לזרימת נוזל.

לעתים מכונה גם דינמיקת נוזלים הידרודינמיקהלמרות שזה יותר מונח היסטורי. לאורך המאה העשרים נעשה המונח הרבה יותר בשימוש בביטוי "דינמיקה נוזלית".

מבחינה טכנית, יהיה נכון יותר לומר שההידרודינמיקה היא כאשר מיושמים דינמיקת נוזלים על נוזלים בתנועה ו אווירודינמיקה זה כאשר דינמיקת נוזלים מוחלת על גזים בתנועה.

עם זאת, בפועל, נושאים מתמחים כמו יציבות הידרודינמית ומגנטו-הידרודינמיקה משתמשים בקידומת "הידרו" גם כאשר הם מיישמים מושגים אלה על תנועת הגזים.