სითხის დინამიკის შესწავლა შეიძლება ვიწრო თემად გამოიყურებოდეს ფიზიკაში. ყოველდღიური მეტყველებისას, ერთი სიტყვით, თქვენ ამბობთ "სითხეებს", როდესაც სითხეებს გულისხმობთ, კერძოდ კი წყლის ნაკადის მსგავსს. და რატომ გსურთ ამდენი დროის დახარჯვა მხოლოდ ამქვეყნიური მოძრაობის გადახედვაში?
მაგრამ აზროვნების ეს მეთოდი არასწორად ესმის სითხის შესწავლის ხასიათს და უგულებელყოფს სითხის დინამიკის მრავალფეროვან გამოყენებას. გარდა იმისა, რომ სასარგებლოა ისეთი რამის გასაგებად, როგორიცაა ოკეანის დინებები, სითხის დინამიკას აქვს გამოყენება ისეთ ადგილებში, როგორიცაა ფირფიტების ტექტონიკა, ვარსკვლავური ევოლუცია, სისხლის მიმოქცევა და მეტეოროლოგია.
ძირითადი ცნებები ასევე გადამწყვეტია ინჟინერიისა და დიზაინისთვის და სითხის დინამიკის ათვისება კარს ხსნის ისეთ საკითხებთან მუშაობა, როგორიცაა კოსმოსური ინჟინერია, ქარის ტურბინები, კონდიცირების სისტემები, სარაკეტო ძრავები და მილები ქსელები.
პირველი ნაბიჯი იმის გასაგებად, რომ საჭიროა გაგება, რომ თქვენ მსგავს პროექტებზე უნდა იმუშაოთ, მაგ სითხის დინამიკის საფუძვლები, ტერმინები, რომლებიც ფიზიკოსები იყენებენ მასზე საუბრისას და მმართველი ყველაზე მნიშვნელოვანი განტოლებები ის
სითხის დინამიკის საფუძვლები
სითხის დინამიკის მნიშვნელობა შეიძლება გავიგოთ, თუ ფრაზაში ცალკეულ სიტყვებს გაყოფთ. ”სითხე” ნიშნავს თხევადს ან შეუქაჩებად სითხს, მაგრამ მას ტექნიკურად ასევე შეუძლია გაზი მიუთითოს, რაც არსებითად აფართოებს თემის არეალს. სახელის "დინამიკის" ნაწილი გეუბნებათ, რომ ეს მოიცავს მოძრავი სითხეების ან სითხის მოძრაობის შესწავლას, ვიდრე სითხის სტატიკისა, რომელიც არის მოძრავი სითხეების შესწავლა.
მჭიდრო კავშირია სითხის დინამიკას, სითხის მექანიკასა და აეროდინამიკას შორის. სითხის მექანიკა არის ფართო ტერმინი, რომელიც მოიცავს როგორც კვლევასსითხის მოძრაობადა სტატიკური სითხეები და ა.შ. სითხის დინამიკა ნამდვილად შეიცავს სითხის მექანიკის ნახევარს (და ეს ის ნაწილია, რომელიც მიმდინარეობს ყველაზე მეტ კვლევაში).
აეროდინამიკა, მეორეს მხრივ, გარიგებებიექსკლუზიურადგაზებით, ხოლო სითხის დინამიკა მოიცავს როგორც გაზებს, ასევე სითხეებს. მიუხედავად იმისა, რომ სპეციალიზირებაში შეღავათი არსებობს, თუ იცით, რომ გირჩევნიათ აეროდინამიკაში მუშაობა, სითხის დინამიკა არის ყველაზე ფართო და ყველაზე აქტიური სფერო ამ სფეროში.
სითხის დინამიკის ძირითადი აქცენტიაროგორ მიედინება სითხეები, და ამიტომ საფუძვლების გაგებას გადამწყვეტი მნიშვნელობა აქვს ნებისმიერი სტუდენტისათვის. ამასთან, ძირითადი პუნქტები ინტუიციურად მარტივია: სითხეები მიედინება დაღმართზე და წნევის სხვაობების შედეგად. დაღმართზე მიედინება გრავიტაციული პოტენციური ენერგია და წნევის სხვაობების გამო არსებითად განპირობებული დისბალანსით ძალებს შორის ერთ ადგილას და მეორეზე, შესაბამისად ნიუტონის მეორეში კანონი.
უწყვეტობის განტოლება
უწყვეტობის განტოლება საკმაოდ რთული გამომეტყველების გამოხატვაა, მაგრამ ის უბრალოდ გადმოსცემს ძალიან მარტივ წერტილს: სითხის დინების დროს ნივთიერება შენარჩუნდება. ასე რომ, სითხის რაოდენობა, რომელიც 1 წერტილზე მიედინება, უნდა ემთხვეოდეს 2 წერტილზე გადასასვლელ წერტილს, სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ,მასის ნაკადის სიჩქარემუდმივია. განტოლება საშუალებას გაძლევთ მარტივად დაინახოთ, რას ნიშნავს ეს:
ρ_1A_1v_1 = ρ_2A_2v_2
სადρარის სიმჭიდროვე,აკვეთის ფართობია დავარის სიჩქარე და 1 და 2 ხელმოწერები ეხება შესაბამისად 1 და 2 წერტილებს. სითხის ნაკადის განხილვისას ყურადღებით იფიქრეთ განტოლებაში არსებულ ტერმინებზე: განივი სექცია იღებს ერთს, მოცემულ წერტილში სითხის ნაკადის ორგანზომილებიანი "ნაჭერი" და სიჩქარე გიჩვენებთ რამდენად სწრაფად ხდება სითხე მოძრაობს.
თავსატეხის დარჩენილი ნაწილი, სიმკვრივე, უზრუნველყოფს მას დაბალანსებას სხვადასხვა წერტილში სითხის შეკუმშვის ოდენობის წინააღმდეგ. ეს ხდება ისე, რომ თუ გაზი შეკუმშულია 1 და 2 წერტილებს შორის, განტოლებაში აღირიცხება ნივთიერების უფრო მეტი რაოდენობა ერთეულ მოცულობაზე.
თუ თითოეულ მხარეს აერთიანებთ სამი ტერმინის ერთეულებს, ნახავთ, რომ გამოხატვის შედეგად მიღებული ერთეული არის მნიშვნელობა მასა / დროში, ანუ კგ / წმ. განტოლება აშკარად ემთხვევა მატერიის ნაკადის სიჩქარეს მისი მოგზაურობის ორ სხვადასხვა წერტილში.
ბერნულის განტოლება
ბერნულის პრინციპი სითხის დინამიკის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი შედეგია და სიტყვებით, იგი აცხადებს, რომ წნევა დაბალია იმ რეგიონებში, სადაც სითხე უფრო სწრაფად მიედინება. ამასთან, როდესაც ეს გამოხატულია ბერნულის განტოლების სახით, ცხადი გახდება, რომ ეს არის განცხადებაენერგიის დაზოგვაგამოიყენება სითხის დინამიკაში.
ეს არსებითად აღნიშნავს, რომ ენერგიის სიმკვრივე (ანუ ენერგია მოცულობის ერთეულში) უდრის a მუდმივი, ან (ექვივალენტურად) რომ მოცემული წერტილის წინ და შემდეგ, ამ სამი ტერმინის ჯამი რჩება იგივე. სიმბოლოებში:
P_1 + \ frac {1} {2} ρv_1 ^ 2 + ρgh_1 = P_2 + \ frac {1} {2} ρv_2 ^ 2 + ρgh_2
პირველი ტერმინი იძლევა წნევის ენერგიას (წნევით =პ), მეორე ტერმინი იძლევა კინეტიკურ ენერგიას ერთეულ მოცულობაზე და მესამე იძლევა პოტენციურ ენერგიას (თანგ= 9,81 მ / წმ2 დათ= მილის სიმაღლე). თუ თქვენ იცოდეთ ენერგიაში ენერგიის ან იმპულსის განტოლებების ფიზიკაში, უკვე გექნებათ კარგი იდეა, თუ როგორ გამოიყენოთ ეს განტოლება.
თუ არჩეული წერტილის შემდეგ მილისა და სითხის საწყისი მნიშვნელობები და მინიმუმ რამდენიმე დეტალი იცით, შეგიძლიათ გაარკვიოთ დარჩენილი მნიშვნელობა განტოლების ხელახლა მოწყობით.
მნიშვნელოვანია აღინიშნოს რამდენიმე სიგნალი ბერნულის განტოლების შესახებ. იგი მიიჩნევს, რომ ორივე წერტილი მოწესრიგებულია, რომ ნაკადი მდგრადია, არ არსებობს ხახუნი და სითხს აქვს მუდმივი სიმკვრივე.
ეს ფორმულის შემზღუდველი შეზღუდვებია და თუ თქვენ იქნებოდითმკაცრადზუსტი, მოძრავი სითხეები არ აკმაყოფილებს ამ მოთხოვნებს. ამასთან, როგორც ეს ხშირად ხდება ფიზიკაში, მრავალი შემთხვევა შეიძლება ასე იყოს აღწერილი და გაანგარიშების გაცილებით მარტივია, ამ მიახლოებების გაკეთება ღირს.
ლამინარული ნაკადი
ბერნულის განტოლება სინამდვილეში ეხება იმას, რასაც ლამინარულ ნაკადს უწოდებენ და არსებითად აღწერს მოძრავ სითხეებს გლუვი ან გამარტივებული ნაკადის მქონე. მას შეუძლია დაეხმაროს მასზე ფიქრს, როგორც ტურბულენტური ნაკადის საპირისპიროდ, სადაც არის რყევები, მორევები და სხვა არარეგულარული ქცევა.
ამ სტაბილურ ნაკადში, მნიშვნელოვანი სიდიდეები, როგორიცაა სიჩქარე და წნევა, რომლებიც გამოიყენება დინების დასახასიათებლად, რჩება მუდმივი და შეიძლება თვლიან, რომ სითხის დინება ხდება ფენებად. მაგალითად, ჰორიზონტალურ ზედაპირზე შეიძლება მოხდეს დინების მოდელირება, როგორც პარალელური, ჰორიზონტალური სერია წყლის ფენებს, ან მილის საშუალებით შეიძლება იგი უფრო მცირე კონცენტრიკის სერიად მივიჩნიოთ ცილინდრები.
ლამინარული ნაკადის რამდენიმე მაგალითი დაგეხმარებათ იმის გაგებაში, თუ რა არის ეს, და ერთი ყოველდღიური მაგალითია ონკანის ფსკერიდან გამომავალი წყალი. თავდაპირველად, ის დრიბლინებს, მაგრამ თუ ონკანს ოდნავ კიდევ გახსნით, მისგან წყლის გლუვი, სრულყოფილი ნაკადი მიიღებთ - ეს არის ლამინარული დინება - და მაღალ დონეზე მაინც ხდებამშფოთვარე. სიგარეტის წვერიდან წამოსული კვამლი ასევე აჩვენებს ლამინარულ ნაკადს, თავდაპირველად გლუვ ნაკადს, მაგრამ შემდეგ ხდება ტურბულენტური, რადგან წვერიდან შორდება.
ლამინარული ნაკადი უფრო ხშირად გვხვდება, როდესაც სითხე ნელა მოძრაობს, როდესაც მას აქვს მაღალი სიბლანტე ან როდესაც მას აქვს მხოლოდ მცირე რაოდენობით გასავლელი სივრცე. ეს აჩვენა ოსბორნ რეინოლდსის ცნობილ ექსპერიმენტში (ცნობილია რეინოლდსის ნომრით, რომელიც შემდეგ განხილულ იქნება შემდეგ განყოფილებაში), სადაც მან შეჰყარა საღებავი სითხის ნაკადში მინაში მილი.
როდესაც ნაკადი ნელა მიმდინარეობდა, საღებავი გადავიდა სწორი ხაზის ბილიკზე, უფრო მაღალი სიჩქარით ის გარდამავალ ნიმუშზე გადადის, ხოლო ბევრად უფრო მაღალ სიჩქარეზე ხდება ტურბულენტური.
მშფოთვარე ნაკადი
ტურბულენტური ნაკადი არის ქაოტური ნაკადის მოძრაობა, რომელიც ხდება უფრო მაღალ სიჩქარეებზე, სადაც სითხს უფრო დიდი სივრცე აქვს გასავლელად და სადაც სიბლანტე დაბალია. ეს ხასიათდება მორევებით, დაბურულებით და გაღვიძებით, რაც ქაოტური ქცევის გამო ძალიან ართულებს ნაკადის ზუსტი მოძრაობის პროგნოზირებას. მშფოთვარე ნაკადის დროს სითხის სიჩქარე და მიმართულება (ანუ სიჩქარე) განუწყვეტლივ იცვლება.
ყოველდღიური ცხოვრების არეულობის კიდევ მრავალი მაგალითი არსებობს, მათ შორის ქარი, მდინარის დინება, წყალი ნავის მოგზაურობის შემდეგ, საჰაერო ხომალდის ფრენის წვერების გარშემო ჰაერის ნაკადი და სისხლის მიმოქცევა არტერიები. ამის მიზეზი ის არის, რომ ლამინარული დინება მხოლოდ განსაკუთრებულ გარემოებებში ხდება. მაგალითად, თქვენ უნდა გახსნათ ონკანი კონკრეტული თანხის მისაღებად ლამინარული ნაკადის მისაღებად, მაგრამ თუ უბრალოდ გახსნით თვითნებურ დონემდე, დინება სავარაუდოდ მღელვარე იქნება.
რეინოლდსის ნომერი
სისტემის რეინოლდსმა შეიძლება მოგცეთ ინფორმაცია სისტემის შესახებგარდამავალი წერტილილამინურ და ტურბულენტურ დინებას შორის, აგრეთვე უფრო ზოგადი ინფორმაცია სითხის დინამიკაში არსებული სიტუაციების შესახებ. რეინოლდსის ნომრის ფორმულაა:
Re = \ frac {ρvL} {μ}
სადρარის სიმჭიდროვე,ვარის სიჩქარე,ლარის დამახასიათებელი სიგრძე (მაგ. დიამეტრი მილისთვის) დაμარის სითხის დინამიური სიბლანტე. შედეგი არის განზომილებიანი რიცხვი, რომელიც ახასიათებს სითხის დინებას, და ის შეიძლება გამოყენებულ იქნას ლამინარული და ტურბულენტური დინების განასხვავებლად, როდესაც თქვენ იცით, რა მახასიათებლები აქვს დინებას. ნაკადი ლამინარული იქნება, როდესაც რეინოლდსის რიცხვი 2,300-ზე ნაკლებია და მღელვარე, როდესაც ეს არის რეინოლდსის მაღალი რიცხვი 4000-ზე მეტი, შუალედური ეტაპები კი ტურბულენტური ნაკადია.
Fluid Dynamics– ის პროგრამები
სითხის დინამიკას აქვს უამრავი რეალური პროგრამა, აშკარადან არცთუ აშკარა. ერთ-ერთი ყველაზე სავარაუდო პროგრამაა სანტექნიკური სისტემების დიზაინი, სადაც უნდა გაითვალისწინონ, თუ როგორ მიედინება სითხე მილებში, რათა ყველაფერი მუშაობს ისე, როგორც დანიშნულია. პრაქტიკაში, სანტექნიკოსს შეუძლია შეასრულოს მათი ამოცანები სითხის დინამიკის გააზრების გარეშე, მაგრამ ეს აუცილებელია მილების, კუთხეებისა და ზოგადად სანტექნიკური სისტემების დიზაინისთვის.
ოკეანის დინებები (და ატმოსფერული დინებები) კიდევ ერთი სფეროა, სადაც სითხის დინამიკა განუყოფელ როლს ასრულებს და არსებობს მრავალი სპეციფიკური სფერო, რომელზეც ფიზიკოსები იკვლევენ და მუშაობენ. ოკეანე და ატმოსფერო ორივე მბრუნავი, სტრატიფიცირებული სისტემაა და ორივე მათგანს აქვს უამრავი სირთულე, რაც გავლენას ახდენს მათ ქცევაზე.
ამასთან, იმის გაგება, თუ რა განაპირობებს სხვადასხვა ოკეანურ და ატმოსფერულ დინებებს, გადამწყვეტი ამოცანაა თანამედროვე ხანაში, განსაკუთრებით გლობალური კლიმატის ცვლილების და სხვა ანთროპოგენული გამოწვევების დამატებითი გამოწვევებით გავლენა. სისტემები, ზოგადად, რთულია და ამიტომ ამ სისტემების მოდელირებისა და გასაგებად ხშირად გამოიყენება სითხის გამოთვლადი დინამიკა.
უფრო ნაცნობი მაგალითი გვიჩვენებს მცირე მასშტაბის გზებს, რომლითაც სითხის დინამიკას შეუძლია ხელი შეუწყოს ფიზიკური სისტემების გაგებას: მრუდის ბურთი ბეისბოლში. როდესაც დატრიალება ხვდება გადაგდებას, ეს ახდენს ეფექტს შეანელებს ჰაერის ნაწილს, რომელიც მოძრაობს დატრიალებასთან შედარებით, და აჩქარებს მოძრავი ნაწილით დატრიალებით.
ეს ქმნის წნევის დიფერენციალს ბურთის სხვადასხვა მხარეს, ბერნულის განტოლების თანახმად, რომელიც ბურთს დაბალი წნევის რეგიონისკენ უბიძგებს (ბურთის მხარე ტრიალებს მიმართულებით) მოძრაობა).