Vloeistofmechanica begrijpen

Vloeistofmechanica is een brede studie van vloeistofgedrag (vloeistoffen, gassen, bloed en plasma's) in rust en in beweging. Het heeft tegenwoordig een breed scala aan toepassingen, dit gebied omvat mechanische en chemische technologie, biologische systemen en astrofysica. Vloeistofmechanica bestudeert met name de krachten die vloeistof produceert.

Vandaag maak je kennis met de definitie, toepassingen, branches, eigenschappen, historische achtergrond van stromingsleer. Je wordt ook blootgesteld aan het volgende:

• Vloeistofmechanica met continuümmechanica.
• Onviskeuze en stroperige vloeistoffen.
• Newtoniaanse versus niet-Newtoniaanse vloeistoffen. De vergelijking van Newtonse vloeistof zal ook worden besproken.

Wat is vloeistofmechanica?

Vloeistofmechanica kan worden gedefinieerd als de studie van het gedrag van vloeistoffen en gassen, vooral de krachten die ze produceren. Net zoals vermeld in de inleiding, is vloeistofmechanica de studie van vloeistoffen in rust (vloeistofstatica) en in beweging (vloeistofdynamica). Het kan ook worden gedefinieerd als een stof die continu vervormt (vloeit) onder uitgeoefende schuifspanning. Het vervormt ongeacht de grootte van de uitgeoefende spanning.

Vloeistoffen, gassen, plasma's en tot op zekere hoogte plastic vaste stoffen kunnen een goed voorbeeld van vloeistoffen zijn. Een vloeistof biedt geen interne weerstand tegen vormverandering en ze moeten de vorm aannemen van hun containers.

De bovenstaande afbeelding toont het gedrag van vloeistoffen, gassen en plasma in een container.

De meeste wetenschappelijke disciplines hebben interesse getoond in vloeistofmechanica. Natuurkundigen bestuderen bijvoorbeeld de stroom van gassen met een extreem hoge temperatuur door magnetische velden. Dit gebeurt in een zoektocht naar een aanvaardbare methode om de energie van kernfusiereacties te benutten. Ingenieurs toonden interesse in vloeistofmechanica vanwege de krachten die worden geproduceerd door vloeistof die voor praktische doeleinden wordt gebruikt. Enkele voorbeelden zijn aerofoil-ontwerp, straalaandrijving, windturbines en hydraulische remmen. Dit wordt verder uitgelegd.

Je moet begrijpen dat vloeistofmechanica de studie is van vloeistoffen in rust en in beweging. Een vloeistof kan worden gedefinieerd als een materiaal dat voortdurend vervormt onder constante belasting. Kinematisch, stress, conservering, reguleren en constitutief zijn de vijf belangrijke termen die nuttig zijn bij problemen met de vloeistofmechanica. Welnu, deze problemen kunnen variëren, afhankelijk van de keuze van het systeem van interesse en het volume van interesse, die de vereenvoudiging van vectorgrootheden bepalen.

Historische achtergrond van stromingsleer

Vloeistofmechanica heeft een zeer vitale rol gespeeld in het menselijk leven en zal dit effect blijven uitoefenen. Daarom heeft het veel nieuwsgierige mensen aangetrokken. In de oude Griekse geschiedenis werden systematisch theoretische werken over dit onderwerp uitgevoerd. In de 16 ^de eeuw begon de ontwikkeling van regelvergelijkingen van vloeistofstroom. In de 18 ^de en 19 ^de eeuwen waren de behoudswetten voor massa, momentum en energie bekend in hun meest algemene vorm. In de 20 ^e eeuw waren de ontwikkelingen in theoretische, experimentele en recent numerieke vorm. Oplossingen van de heersende vergelijkingen voor speciale gevallen werden in het theoretische veld gegeven. De experimentele methoden zijn gebruikt om stroomsnelheden en vloeistofeigenschappen te meten. Met behulp van computers opende de numerieke behandeling van vloeistofmechanische problemen nieuwe perspectieven in onderzoek. De algemene overtuiging in de 21e eeuw is dat de activiteiten het meest intensief zullen zijn in de ontwikkeling van nieuwe experimentele en numerieke hulpmiddelen. Ook toepassing van die voor het ontwikkelen van nieuwe technologieën.

Toepassingen van stromingsleer

Met de overgrote meerderheid van de waarnemingen vandaag, zou het leven onmogelijk zijn geweest zonder vloeistoffen. Dit wil zeggen dat de atmosfeer en oceanen die de planeet bedekken vloeistoffen zijn. Vloeistofmechanica dient onbeperkte wetenschappelijke en praktische doeleinden. Het trekt bijna alle vakgebieden aan, ook al wordt het beschreven door een niet-lineaire veldentheorie en ook omdat vloeistoffenomenen gemakkelijk kunnen worden waargenomen. Dus de toepassingen van vloeistofmechanica omvatten deze expertise, waaronder wiskundigen, natuurkundigen, biologen, geologen, oceanografen, atmosferische wetenschappers en bijna alle soorten engineering. Tegenwoordig zijn kunstenaars aangetrokken tot het bestuderen, benutten en exploiteren van vloeistofmechanica. Dit wordt gebruikt om formele en computationele technieken te creëren en te testen om de natuurlijke wereld beter te begrijpen. Het probeert ook de menselijke conditie te verbeteren.

De toepassing van vloeistofmechanica omvat transport, materiaalverwerking en productie, energieopwekking en -conversie, civiele infrastructuur en voedselproductie.

Hoofdtakken van de vloeistofmechanica

Hieronder staan ​​de twee hoofdtakken van stromingsleer:

Vloeistofstatistieken:

Deze tak van de stromingsleer wordt ook wel hydrostatica genoemd. Het is een studie van vloeistoffen in rust en omvat de studie van de omstandigheden waaronder vloeistoffen in rust zijn in stabiel evenwicht. Hydrostatica vloeistofmechanica toont fysieke verklaringen voor veel fenomenen van het dagelijks leven. Dit omvat de reden waarom de atmosferische druk verandert met de hoogte, waarom hout en olie op water drijven en waarom het wateroppervlak altijd vlak is, ongeacht de vorm van de container.

Hydrostatica is de basis voor hydrauliek, transport, vloeistofgebruik en de engineering van apparatuur voor opslag. Enkele relevante aspecten van hydrostatisch zijn geofysica en astrofysica (bijvoorbeeld het begrijpen van platentektoniek en anomalieën in het zwaartekrachtveld van de aarde), meteorologie, geneeskunde in een aspect van bloeddruk en vele andere expertisegebieden.

Vloeistofdynamiek:

Vloeistofdynamica is een subdiscipline in de vloeistofmechanica, die zich bezighoudt met vloeistofstroming. Dat is de wetenschap van vloeistoffen en gassen in beweging. Het biedt een systematische structuur die deze praktische disciplines onthult, die empirische en semi-empirische wetten omvat die zijn afgeleid van stroommeting en die worden gebruikt om praktische problemen op te lossen. Het vloeistofdynamicaprobleem is al opgelost. Deze omvatten het berekenen van verschillende eigenschappen van vloeistof, zoals druk, dichtheid, snelheid en temperatuur, als een functie van ruimte en tijd. Deze tak van vloeistofmechanica heeft zelf verschillende subdisciplines, zoals aerodynamica, de studie van lucht en andere gassen in beweging. Hydrodynamica is een andere subdiscipline, namelijk de studie van vloeistof in beweging.

Zoals eerder vermeld in de toepassingen van vloeistofdynamica, heeft het een breed scala aan toepassingen, waaronder het berekenen van kracht en beweging in vliegtuigen. Het bepaalt ook de massastroom van aardolie door een pijpleiding, voorspelt veranderende weerpatronen, begrijpt nevels in de interstellaire ruimte en modelleert explosies. Ten slotte worden enkele principes van vloeistofdynamica gebruikt in verkeerstechniek en menigtedynamiek.

Basisprincipes van vloeistoffen

Vloeistoffen zijn samengesteld uit discrete moleculen; deze moleculen zijn zo klein en behalve in gassen bij zeer lage drukken. Het aantal moleculen per milliliter is zo enorm dat ze als afzonderlijke entiteiten moeten worden gezien. In een vloeistof, ook wel vloeibare kristallen genoemd, zijn moleculen zodanig op elkaar gepakt dat de eigenschappen van het medium plaatselijk anisotroop worden. De meeste vloeistoffen, inclusief lucht en water, zijn echter isotroop.

In de vloeistofmechanica wordt de toestand van anisotrope vloeistoffen beschreven door hun gemiddelde massa per volume-eenheid of dichtheid (p), temperatuur (T) en hun snelheid (V) op elk punt in de ruimte te definiëren. Ook is er een verband tussen deze macroscopische eigenschappen en de posities en snelheden van individuele moleculen, die geen direct nut hebben.

Het verschil tussen gassen en vloeistoffen is heel gemakkelijk waar te nemen dan te beschrijven. Maar dit moet nog onderzocht worden. Moleculen zijn voldoende ver uit elkaar om in gassen bijna onafhankelijk van elkaar te bewegen. Gassen hebben de neiging om uit te zetten om elk beschikbaar volume te vullen. Aan de andere kant staan ​​vloeibare moleculen min of meer met elkaar in contact en hangen ze samen door de aantrekkingskracht tussen hen op korte afstand. De moleculen bewegen te snel om zich te nestelen in de geordende arrays die kenmerkend zijn voor vaste stoffen. Toch kunnen ze niet uit elkaar vliegen.

Hoewel vloeistof kan bestaan ​​als druppels of als stralen met vrije oppervlakken. Ze kunnen zelfs in bekers zitten die alleen door de zwaartekracht worden beperkt, op een manier die gasmonsters niet kunnen. Dergelijke monsters kunnen na verloop van tijd verdampen omdat hun moleculen met voldoende snelheid worden opgepikt om over het vrije oppervlak te ontsnappen en niet worden vervangen. De levensduur van vloeistofdruppels en jets is normaal gesproken lang genoeg om verdamping te negeren.

Relatie van vloeistofmechanica tot continuümmechanica

Vloeistofmechanica is een subdiscipline van de continuümmechanica. Hieronder vindt u de lijst met subdisciplines op dit gebied.

Vloeistofmechanica - dit is de studie van de fysica van continue materialen die vervormen wanneer ze worden blootgesteld aan een kracht.

Continuummechanica – de studie van de fysica van continue materialen.

Solide mechanica – de studie van de fysica van continue materialen met een gedefinieerde rustvorm.

Reologie – de studie van materialen met zowel vaste als vloeibare eigenschappen.

Elasticiteit – beschrijft materialen die terugkeren naar hun rustvorm nadat de aangebrachte spanningen zijn verwijderd.

Plasticiteit – het beschrijft dat het permanent vervormt na voldoende uitgeoefende spanning.

Niet-Newtoniaanse vloeistoffen – ze ondergaan geen reksnelheden die evenredig zijn aan de uitgeoefende schuifspanning.

Newtoniaanse vloeistoffen – reksnelheden ondergaan die evenredig zijn aan de uitgeoefende schuifspanning. Dit wordt verder uitgelegd.

Mechanisch gezien ondersteunt vloeistof geen schuifspanning, daarom heeft het in rust de vorm van het bevattende vat. Een vloeistof in rust heeft geen schuifspanning.

Bekijk de video voor meer informatie over vloeistofmechanica:

Onviskeuze en stroperige vloeistoffen

Een stroperige vloeistof heeft geen viscositeit, het is een idealisering. Die vergemakkelijkt de wiskundige behandeling. Bij superfluïditeit wordt een zuivere niet-viskeuze stroming gerealiseerd. Anders zijn vloeistoffen over het algemeen stroperig. De wiskunde van een vloeistofmechanisch systeem kan worden behandeld door aan te nemen dat de vloeistof buiten de grenslagen niet visceus is. De oplossing moet worden afgestemd op die voor een dunne laminaire grenslaag.

Newtoniaanse en niet-Newtoniaanse vloeistoffen

De Newtoniaanse vloeistof is vernoemd naar Isaac Newton. Het wordt gedefinieerd als de vloeistof waarvan de schuifspanning lineair evenredig is met de snelheidsgradiënt in de richting loodrecht op het afschuifvlak. Dit betekent dat het, ongeacht de inwerkende kracht op een vloeistof, blijft stromen. Water is een goed voorbeeld van een Newtonse vloeistof omdat het vloeistofeigenschappen blijft vertonen, ongeacht hoeveel het wordt geroerd of gemengd.

Een goed voorbeeld is dat de weerstand van een klein object dat langzaam door de vloeistof wordt bewogen, evenredig is met de kracht die op het object wordt uitgeoefend. Belangrijke vloeistof zoals water en de meeste gassen gedragen zich onder normale omstandigheden naar goede benadering als een Newtonse vloeistof.

Aan de andere kant kan een niet-Newtoniaanse vloeistof een gaatje achterlaten als het wordt geroerd. Dit zal in de loop van de tijd geleidelijk vollopen, omdat het kan voorkomen in materialen zoals pudding en oobleck. Het roeren van een niet-Newtoniaanse vloeistof kan de snelheid van de vloeistof verminderen, waardoor deze dunner lijkt. Er zijn verschillende soorten niet-Newtoniaanse vloeistoffen. Ze kunnen worden gedefinieerd als iets dat een bepaalde eigenschap niet gehoorzaamt. Zo kunnen bijna alle vloeistoffen met lange molecuulketens op een niet-Newtoniaanse manier reageren.

Conclusie

Dat is alles voor deze post over vloeistofmechanica, waar we de definitie, historische achtergrond, toepassingen, takken, principes en de relatie met continuümmechanica geven.

Ik hoop dat je veel aan dit artikel zult hebben, zo ja, deel het dan met andere studenten. Bedankt voor het lezen. Tot de volgende keer!