Понимание механики жидкости

Гидромеханика — это широкое исследование поведения жидкостей (жидкостей, газов, крови и плазмы) в состоянии покоя и в движении. Сегодня он имеет широкий спектр приложений, в эту область входят машиностроение и химическая инженерия, биологические системы и астрофизика. Механика жидкости изучает, в частности, силы, создаваемые жидкостью.

Сегодня вы познакомитесь с определением, приложениями, разделами, свойствами, историческим фоном механики жидкости. Вы также увидите следующее:

• Гидромеханика с механикой сплошных сред.
• Невязкие и вязкие жидкости.
• Ньютоновские и неньютоновские жидкости. Также будет обсуждаться уравнение ньютоновской жидкости.

Что такое гидромеханика?

Гидромеханика может быть определена как изучение поведения жидкостей и газов, особенно сил, которые они производят. Как упоминалось во введении, механика жидкости изучает жидкости в состоянии покоя (гидростатика) и в движении (гидродинамика). Его также можно определить как вещество, которое постоянно деформируется (течет) под действием напряжения сдвига. Он деформируется независимо от величины приложенного напряжения.

Жидкости, газы, плазма и, в некоторой степени, твердые пластмассы могут быть хорошим примером жидкостей. Жидкость не оказывает внутреннего сопротивления изменению формы, и они должны принимать форму своих сосудов.

На изображении выше показано поведение жидкостей, газов и плазмы в контейнере.

Большинство научных дисциплин проявили интерес к механике жидкости. Например, физики изучают поток чрезвычайно высокотемпературных газов через магнитные поля. Это происходит в поисках приемлемого метода использования энергии реакций ядерного синтеза. Инженеры проявили интерес к гидромеханике из-за сил, создаваемых жидкостью, которая используется в практических целях. Некоторые примеры включают конструкцию аэродинамического профиля, реактивное движение, ветряные турбины и гидравлические тормоза. Это объясняется далее.

Вы должны понимать, что механика жидкости — это изучение жидкостей в состоянии покоя и в движении. Жидкость можно определить как материал, который непрерывно деформируется под постоянной нагрузкой. Кинематика, напряжение, сохранение, регулирование и конститутивность — вот пять важных терминов, которые используются в задачах гидромеханики. Что ж, эти проблемы могут варьироваться в зависимости от выбора интересующей системы и интересующего объема, которые управляют упрощением векторных величин.

Исторический фон гидромеханики

Гидромеханика сыграла очень важную роль в жизни человека и будет продолжать играть эту роль. Именно поэтому он привлек многих любопытных. В древнегреческой истории по этому вопросу велись систематические теоретические работы. В 16 ^го века началась разработка основных уравнений течения жидкости. В 18 ^го и 19 ^е столетия законы сохранения массы, импульса и энергии были известны в самом общем виде. В 20 ^го века, разработки были в теоретической, экспериментальной, а в последнее время и в численной форме. Решения основных уравнений для особых случаев были предоставлены в теоретической области. Экспериментальные методы использовались для измерения скоростей потока и свойств жидкости. Использование компьютеров для численного решения задач гидромеханики открыло новые перспективы в исследованиях. Распространено мнение, что в 21 веке деятельность будет наиболее интенсивной в разработке новых экспериментальных и численных инструментов. А также их применение для разработки новых технологий.

Применения гидромеханики

Сегодня, по наблюдению подавляющего большинства, жизнь была бы невозможна без жидкости. Другими словами, атмосфера и океаны, покрывающие планету, представляют собой жидкости. Гидромеханика служит неограниченным научным и практическим целям. Он охватывает почти все области знаний, хотя и описывается нелинейной теорией поля, а также потому, что флюидные явления легко наблюдать. Таким образом, приложения гидромеханики включают в себя этот опыт, включая математиков, физиков, биологов, геологов, океанографов, ученых-атмосферников и почти всех инженеров. В наши дни художников привлекает изучение, использование и использование механики жидкости. Это используется для создания и тестирования формальных и вычислительных методов, чтобы лучше понять мир природы. Он также пытается улучшить условия жизни человека.

Применение гидромеханики включает транспорт, обработку и производство материалов, производство и преобразование электроэнергии, гражданскую инфраструктуру и производство продуктов питания.

Основные разделы гидромеханики

Ниже приведены две основные ветви гидромеханики:

Гибкая статика:

Эта ветвь механики жидкости также известна как гидростатика. Это исследование жидкостей в состоянии покоя, и оно охватывает изучение условий, при которых жидкости находятся в состоянии покоя в устойчивом равновесии. Гидростатическая гидромеханика дает физические объяснения многим явлениям повседневной жизни. Это включает в себя причину, по которой атмосферное давление меняется с высотой, почему дерево и масло плавают на воде и почему поверхность воды всегда ровная, независимо от формы ее сосуда.

Гидростатика является основой гидравлики, транспортировки, использования жидкости и разработки оборудования для хранения. Некоторые важные аспекты гидростатики включают геофизику и астрофизику (например, понимание тектоники плит и аномалий в гравитационном поле Земли), метеорологию, медицину в аспекте кровяного давления и многие другие области знаний.

Гидродинамика:

Гидродинамика — это раздел гидромеханики, изучающий поток жидкости. Это наука о жидкостях и газах в движении. Он предлагает систематическую структуру, раскрывающую эти практические дисциплины, которая охватывает эмпирические и полуэмпирические законы, полученные из измерения расхода и используемые для решения практических задач. Проблема гидродинамики уже решена. Они включают расчет различных свойств жидкости, таких как давление, плотность, скорость и температура, в зависимости от пространства и времени. Эта ветвь механики жидкости имеет несколько поддисциплин, таких как аэродинамика, изучающая воздух и другие газы в движении. Гидродинамика — еще одна дисциплина, изучающая движение жидкости.

Как упоминалось ранее в приложениях гидродинамики, она имеет широкий спектр применений, включая расчет силы и движения на самолете. Он также определяет массовый расход нефти по трубопроводу, прогнозирует изменение погодных условий, анализирует туманности в межзвездном пространстве и моделирует взрывы. Наконец, некоторые принципы гидродинамики используются в организации дорожного движения и динамике толпы.

Основные принципы работы с жидкостями

Жидкости состоят из дискретных молекул; эти молекулы настолько малы и за исключением газов при очень низких давлениях. Количество молекул на миллилитр настолько огромно, что их нужно рассматривать как отдельные сущности. В жидкости, известной как жидкие кристаллы, молекулы упакованы вместе таким образом, что свойства среды становятся локально анизотропными. Однако большинство жидкостей, включая воздух и воду, изотропны.

В гидромеханике состояние анизотропных жидкостей описывается путем определения их средней массы на единицу объема или плотности (p), температуры (T) и их скорости (V) в каждой точке пространства. Кроме того, связь между этими макроскопическими свойствами и положениями и скоростями отдельных молекул не имеет прямого значения.

Разницу между газами и жидкостями очень легко воспринять, чем описать. Но это еще надо проверить. Молекулы находятся достаточно далеко друг от друга, чтобы двигаться в газах почти независимо друг от друга. Газы имеют тенденцию расширяться, чтобы заполнить любой доступный им объем. С другой стороны, молекулы жидкости более или менее соприкасаются и когерентны из-за короткодействующих сил притяжения между ними. Молекулы движутся слишком быстро, чтобы образовать упорядоченные массивы, характерные для твердых тел. Даже в этом случае они не могут разлететься.

Хотя жидкость может существовать в виде капель или струй со свободными поверхностями. Они даже могут сидеть в стаканах, ограниченных только силой тяжести, в отличие от образцов газа. Такие образцы могут со временем испаряться, поскольку их молекулы набирают скорость, достаточную для того, чтобы покинуть свободную поверхность и не замещаться. Срок службы жидких капель и струй обычно достаточно велик, чтобы можно было игнорировать испарение.

Связь механики жидкости с механикой сплошной среды

Гидромеханика является поддисциплиной механики сплошных сред. Ниже приведен список поддисциплин, относящихся к этому полю.

Гидромеханика – это изучение физики сплошных материалов, которые деформируются под действием силы.

Механика сплошной среды – изучение физики сплошных материалов.

Твердая механика – изучение физики сплошных материалов с заданной формой покоя.

Реология – изучение материалов как с твердыми, так и с жидкими характеристиками.

Эластичность – описывает материалы, которые возвращаются к исходной форме после снятия приложенных напряжений.

Пластичность – описывает, что необратимо деформируется после достаточного приложенного напряжения.

Неньютоновские жидкости – скорость деформации не пропорциональна приложенному напряжению сдвига.

Ньютоновские жидкости - скорость деформации пропорциональна приложенному напряжению сдвига. Это будет объяснено далее.

Механически жидкость не воспринимает напряжения сдвига, поэтому в состоянии покоя она имеет форму содержащего ее сосуда. Жидкость в состоянии покоя не имеет напряжения сдвига.

Посмотрите видео, чтобы узнать больше о гидромеханике:

Невязкие и вязкие жидкости

Невязкая жидкость не имеет вязкости, это идеализация. Это облегчает математическую обработку. Чисто невязкое течение реализуется в случае сверхтекучести. В противном случае жидкости обычно вязкие. Математику гидромеханической системы можно рассматривать, предполагая, что жидкость вне пограничных слоев невязкая. Решение должно быть согласовано с решением для тонкого ламинарного пограничного слоя.

Ньютоновские и неньютоновские жидкости

Ньютоновская жидкость названа в честь Исаака Ньютона. Он определяется как жидкость, напряжение сдвига которой линейно пропорционально градиенту скорости в направлении, перпендикулярном плоскости сдвига. Смысл в том, что независимо от силы, действующей на жидкость, она продолжает течь. Вода — хороший пример ньютоновской жидкости, поскольку она продолжает проявлять свойства жидкости независимо от того, насколько сильно ее перемешивают или перемешивают.

Хорошим примером является сопротивление небольшого объекта, медленно перемещаемого в жидкости, пропорционально силе, приложенной к объекту. Важные жидкости, такие как вода и большинство газов, ведут себя в хорошем приближении как ньютоновские жидкости при нормальных условиях.

С другой стороны, неньютоновская жидкость может оставить отверстие при перемешивании. Со временем он будет постепенно заполняться, как это может происходить в таких материалах, как пудинг и улек. Перемешивание неньютоновской жидкости может уменьшить скорость жидкости, что сделает ее более жидкой. Существуют различные типы неньютоновских жидкостей. Их можно определить как нечто, что не подчиняется определенному свойству. Например, почти все жидкости с длинными молекулярными цепями могут реагировать неньютоновским образом.

Заключение

Это все, что касается этого поста о механике жидкости, где мы даем ее определение, историческую подоплеку, приложения, ветви, принципы и ее связь с механикой сплошных сред.

Я надеюсь, что вы получили много полезного из этой статьи, если да, пожалуйста, поделитесь ею с другими студентами. Спасибо за чтение. Увидимся в следующий раз!