Механика на флуиди

Механиката на флуиди е гранка на физиката што се занимава со механиката на флуидите ( течности, гасови и плазма ) и силите врз нив. Првично применета на вода ( хидромеханика ), таа нашла примена во широк спектар на дисциплини, вклучувајќи машинско, воздухопловно, цивилно, хемиско и биомедицинско инженерство, како и геофизика, океанографија, метеорологија, астрофизика и биологија .

Може да се подели на статика на флуиди, проучување на различни флуиди во мирување; и динамика на флуиди, проучување на ефектот на силите врз движењето на флуидите. Тоа е гранка на континуумската механика, тема која ја моделира материјата без да ја користи информацијата дека е составена од атоми; односно, ја моделира материјата од макроскопска гледна точка, а не од микроскопска .

Механиката на флуидите, особено динамиката на флуидите, е активно поле на истражување, обично математички комплексно. Многу проблеми се делумно или целосно нерешени и најдобро се решаваат со нумерички методи, обично со користење на компјутери. Модерна дисциплина, наречена компјутерска динамика на флуиди (CFD), е посветена на овој пристап. Велоциметријата со слика на честички, експериментален метод за визуелизација и анализа на протокот на флуиди, исто така ја користи предноста на високо визуелната природа на протокот на флуиди.

Историја

Студијата за механиката на флуиди датира барем од времето на античка Грција, кога Архимед ја истражувал статиката на флуидите и пловноста и го формулирал својот познат закон познат денес како Архимедов принцип, кој бил објавен во неговото дело „За лебдечките тела“ - кое генерално се смета за прво големо дело за механиката на флуидите. Иранскиот научник Абу Рејхан Бируни, а подоцна и Ал-Хазини, примениле експериментални научни методи во механиката на флуиди. Брзиот напредок во механиката на флуиди започна со Леонардо да Винчи (набљудувања и експерименти), Евангелиста Торичели (го измислил барометарот ), Исак Њутн (го истражувал вискозитетот ) и Блез Паскал (го истражувал хидростатиката, го формулирал Паскаловиот закон ), а го продолжил Даниел Бернули со воведувањето на математичката динамика на флуиди во „Хидродинамика“ (1739).

Невискозниот тек бил понатаму анализиран од разни математичари ( Жан ле Рон д'Аламбер, Жозеф Луј Лагранж, Пјер-Симон Лаплас, Симеон Денис Поасон ), а вискозниот тек бил истражуван од мноштво инженери, вклучувајќи ги Жан Леонард Мари Поазеј и Готхилф Хаген . Понатамошно математичко оправдување беше обезбедено од Клод-Луј Навиер и Џорџ Габриел Стоукс во равенките Навиер-Стоукс, а беа испитани и граничните слоеви ( Лудвиг Прандтл, Теодор фон Карман ), додека разни научници како што се Осборн Рејнолдс, Андреј Колмогоров и Џефри Инграм Тејлор го унапредија разбирањето на вискозитетот и турбуленцијата на флуидите.

Главни гранки

Статика на флуиди

Статиката на флуидите или хидростатиката е гранка на механиката на флуидите што ги проучува флуидите во мирување. Опфаќа проучување на условите под кои течностите се во мирување во стабилна рамнотежа ; и е во контраст со динамиката на флуидите, проучувањето на флуидите во движење. Хидростатиката нуди физички објаснувања за многу феномени од секојдневниот живот, како на пример зошто атмосферскиот притисок се менува со надморската височина, зошто дрвото и маслото лебдат на вода и зошто површината на водата е секогаш рамна, без оглед на обликот на нејзиниот сад. Хидростатиката е фундаментална за хидрауликата, инженерството на опрема за складирање, транспорт и употреба на течности . Исто така е релевантно за некои аспекти на геофизиката и астрофизиката (на пример, во разбирањето на тектониката на плочите и аномалиите во гравитационото поле на Земјата ), за метеорологијата, за медицината (во контекст на крвниот притисок ) и многу други области.

Динамика на флуиди

Динамиката на флуидите е поддисциплина на механиката на флуидите што се занимава со протокот на флуиди - науката за течности и гасови во движење. Динамиката на флуидите нуди систематска структура - која е основа на овие практични дисциплини - која ги опфаќа емпириските и полуемпириските закони добиени од мерењето на протокот и се користат за решавање на практични проблеми. Решението на проблемот со динамиката на флуидите обично вклучува пресметување на различни својства на флуидот, како што се брзината, притисокот, густината и температурата, како функции на просторот и времето. Има неколку поддисциплини, вклучувајќи аеродинамика (проучување на воздухот и другите гасови во движење) и хидродинамика (проучување на течностите во движење). Динамиката на флуидите има широк спектар на примени, вклучувајќи пресметување на силите и движењата на авионите, одредување на брзината на масен проток на нафта низ цевководи, предвидување на еволутивните временски обрасци, разбирање на маглините во меѓуѕвездениот простор и моделирање на експлозии . Некои принципи на флуидно-динамика се користат во сообраќајното инженерство и динамиката на толпата.