Capire cos'è la fluidodinamica

La dinamica dei fluidi è lo studio del movimento dei fluidi, comprese le loro interazioni quando due fluidi entrano in contatto tra loro. In questo contesto, il termine "fluido" si riferisce a entrambi liquido o gas. È un approccio macroscopico e statistico all'analisi di queste interazioni su larga scala, visualizzando i fluidi come un continuum della materia e generalmente ignorando il fatto che il liquido o il gas è composto da individuo atomi.

La dinamica dei fluidi è uno dei due rami principali di meccanica dei fluidi, con l'altro ramo essere statica fluida, lo studio dei fluidi a riposo. (Forse non a caso, la statica dei fluidi può essere considerata un po 'meno eccitante la maggior parte delle volte rispetto alla fluidodinamica.)

Ogni disciplina implica concetti cruciali per capire come funziona. Ecco alcuni dei principali che ti imbatterai nel tentativo di comprendere la fluidodinamica.

I concetti fluidi che si applicano alla statica fluida entrano in gioco anche quando si studia fluido in movimento. Praticamente il primo concetto di meccanica dei fluidi è quello di

Mentre fluiscono i fluidi, il densità e pressione dei fluidi sono anche cruciali per capire come interagiranno. Il viscosità determina la resistenza al cambiamento del liquido, quindi è essenziale anche nello studio del movimento del liquido. Ecco alcune delle variabili che emergono in queste analisi:

• Viscosità alla rinfusa: μ
• Densità: ρ
• Viscosità cinematica: ν = μ / ρ

Poiché la fluidodinamica comporta lo studio del moto del fluido, uno dei primi concetti che deve essere compreso è il modo in cui i fisici quantificano quel movimento. Il termine che i fisici usano per descrivere le proprietà fisiche del movimento del liquido è flusso. Flow descrive una vasta gamma di movimenti di fluidi, come soffiare attraverso l'aria, scorrere attraverso un tubo o correre lungo una superficie. Il flusso di un fluido è classificato in una varietà di modi diversi, in base alle varie proprietà del flusso.

Se il movimento del fluido non cambia nel tempo, viene considerato a flusso costante. Ciò è determinato da una situazione in cui tutte le proprietà del flusso rimangono costanti rispetto al tempo o in alternativa si può parlare dicendo che i derivati ​​del tempo del campo di flusso svaniscono. (Dai un'occhiata al calcolo per ulteriori informazioni sulla comprensione dei derivati.)

UN flusso in regime stazionario è ancora meno dipendente dal tempo perché tutte le proprietà del fluido (non solo le proprietà del flusso) rimangono costanti in ogni punto all'interno del fluido. Quindi se hai avuto un flusso costante, ma le proprietà del fluido stesso sono cambiate ad un certo punto (probabilmente a causa di una barriera che causa increspature dipendenti dal tempo in alcune parti del fluido), quindi avresti un flusso costante che è non un flusso in regime stazionario.

Tutti i flussi di stato stazionario sono tuttavia esempi di flussi stazionari. Una corrente che scorre a una velocità costante attraverso un tubo diritto sarebbe un esempio di un flusso a stato stazionario (e anche un flusso costante).

Se il flusso stesso ha proprietà che cambiano nel tempo, allora si chiama an flusso instabile o a flusso transitorio. La pioggia che scorre in una grondaia durante una tempesta è un esempio di flusso instabile.

Come regola generale, i flussi costanti rendono più facili i problemi da gestire rispetto ai flussi instabili, che è quello che ci si aspetterebbe dal momento che il Le modifiche al flusso dipendenti dal tempo non devono essere prese in considerazione, e le cose che cambiano nel tempo in genere miglioreranno le cose complicato.

Si dice che abbia un flusso regolare di liquido flusso laminare. Si dice che il flusso che contiene un movimento apparentemente caotico, non lineare flusso turbolento. Per definizione, un flusso turbolento è un tipo di flusso instabile.

Entrambi i tipi di flussi possono contenere vortici, vortici e vari tipi di ricircolo, sebbene più comportamenti di questo tipo esistano, più è probabile che il flusso venga classificato come turbolento.

La distinzione tra se un flusso è laminare o turbolento è generalmente correlata al Numero di Reynolds (Ri). Il numero di Reynolds fu calcolato per la prima volta nel 1951 dal fisico George Gabriel Stokes, ma prende il nome dallo scienziato del XIX secolo Osborne Reynolds.

Il numero di Reynolds dipende non solo dalle specifiche del fluido stesso ma anche dalle condizioni del suo flusso, derivato come rapporto tra forze inerziali e forze viscose nel modo seguente:

Ri = Forza inerziale / forze viscose

Ri = (ρVdV/dx) / (μ d²V / dx²)

Il termine dV / dx è il gradiente della velocità (o prima derivata della velocità), che è proporzionale alla velocità (V) diviso per L, che rappresenta una scala di lunghezza, con conseguente dV / dx = V / L. Il secondo derivato è tale che d²V / dx² = V / L². Sostituendoli con il primo e il secondo derivato si ottiene:

Ri = (ρ V V/L) / (μ V/L²)

Re = (ρ V L) / μ

Puoi anche dividere per la scala di lunghezza L, risultando in a Numero di Reynolds per piede, designato come Re f = V / ν.

Un numero di Reynolds basso indica un flusso laminare regolare. Un alto numero di Reynolds indica un flusso che mostrerà vortici e vortici e sarà generalmente più turbolento.

Flusso del tubo rappresenta un flusso che è in contatto con confini rigidi su tutti i lati, come l'acqua che si muove attraverso un tubo (da cui il nome "flusso di tubo") o l'aria che si muove attraverso un condotto dell'aria.

Flusso a canale aperto descrive il flusso in altre situazioni in cui esiste almeno una superficie libera che non è in contatto con un limite rigido. (In termini tecnici, la superficie libera ha 0 tensioni parallele.) Sono inclusi i casi di flusso a canale aperto acqua che si muove attraverso un fiume, inondazioni, acqua che scorre durante la pioggia, correnti di marea e canali di irrigazione. In questi casi, la superficie dell'acqua che scorre, in cui l'acqua è a contatto con l'aria, rappresenta la "superficie libera" del flusso.

I flussi in un tubo sono guidati dalla pressione o dalla gravità, ma i flussi in situazioni a canale aperto sono guidati esclusivamente dalla gravità. I sistemi idrici della città usano spesso le torri d'acqua per trarne vantaggio, in modo che la differenza di elevazione dell'acqua nella torre (il testa idrodinamica) crea un differenziale di pressione, che viene quindi regolato con pompe meccaniche per portare l'acqua nelle posizioni del sistema in cui sono necessarie.

I gas sono generalmente trattati come fluidi comprimibili perché il volume che li contiene può essere ridotto. Un condotto dell'aria può essere ridotto della metà delle dimensioni e continuare a trasportare la stessa quantità di gas alla stessa velocità. Anche quando il gas fluisce attraverso il condotto dell'aria, alcune regioni avranno densità più elevate rispetto ad altre regioni.

Come regola generale, essere incomprimibile significa che la densità di qualsiasi regione del fluido non cambia in funzione del tempo mentre si muove attraverso il flusso. I liquidi possono anche essere compressi, ovviamente, ma c'è più di una limitazione sulla quantità di compressione che può essere fatta. Per questo motivo, i liquidi sono in genere modellati come se fossero incomprimibili.

Il principio di Bernoulli è un altro elemento chiave della fluidodinamica, pubblicato nel libro di Daniel Bernoulli del 1738 Hydrodynamica. In poche parole, mette in relazione l'aumento della velocità in un liquido con una diminuzione della pressione o dell'energia potenziale. Per fluidi incomprimibili, questo può essere descritto usando ciò che è noto come L'equazione di Bernoulli:

(v²/2) + gz + p/ρ = costante

Dove g è l'accelerazione dovuta alla gravità, ρ è la pressione in tutto il liquido, v è la velocità del flusso del fluido in un determinato punto, z è l'elevazione in quel punto, e p è la pressione a quel punto. Poiché questo è costante all'interno di un fluido, ciò significa che queste equazioni possono mettere in relazione due punti qualsiasi, 1 e 2, con la seguente equazione:

(v₁²/2) + gz₁ + p₁/ρ = (v₂²/2) + gz₂ + p₂/ρ

La relazione tra pressione ed energia potenziale di un liquido basato sull'elevazione è anche correlata attraverso la Legge di Pascal.

Due terzi della superficie terrestre è costituita da acqua e il pianeta è circondato da strati di atmosfera, quindi siamo letteralmente circondati in ogni momento da fluidi... quasi sempre in movimento.

Pensandoci un po ', questo rende abbastanza ovvio che ci sarebbero molte interazioni di fluidi in movimento per noi per studiare e comprendere scientificamente. È qui che entra in gioco la dinamica dei fluidi, ovviamente, quindi non mancano i campi che applicano i concetti della fluidodinamica.

Questo elenco non è affatto esaustivo, ma offre una buona panoramica dei modi in cui la fluidodinamica si manifesta nello studio della fisica attraverso una serie di specializzazioni:

• Oceanografia, meteorologia e scienze del clima - Dal momento che l'atmosfera è modellata come fluidi, lo studio della scienza dell'atmosfera e Correnti oceaniche, cruciale per comprendere e prevedere i modelli meteorologici e le tendenze climatiche, si basa fortemente sulla dinamica dei fluidi.
• Aeronautica - La fisica della fluidodinamica prevede lo studio del flusso d'aria per creare resistenza e sollevamento, che a loro volta generano le forze che consentono il volo più pesante dell'aria.
• Geologia e geofisica - Tettonica a zolle comporta lo studio del movimento della materia riscaldata all'interno del nucleo liquido della Terra.
• Ematologia e emodinamica -Lo studio biologico del sangue comprende lo studio della sua circolazione attraverso i vasi sanguigni e la circolazione del sangue può essere modellata utilizzando i metodi della fluidodinamica.
• Fisica del plasma - Sebbene non sia un liquido né un gas, plasma spesso si comporta in modo simile ai fluidi, quindi può anche essere modellato usando la fluidodinamica.
• Astrofisica e cosmologia - Il processo di evoluzione stellare comporta il cambiamento delle stelle nel tempo, che può essere compreso studiando come il plasma che compone le stelle scorre e interagisce all'interno della stella nel tempo.
• Analisi del traffico - Forse una delle applicazioni più sorprendenti della fluidodinamica è la comprensione del movimento del traffico, sia del traffico veicolare che pedonale. Nelle aree in cui il traffico è sufficientemente denso, l'intero corpo di traffico può essere trattato come una singola entità che si comporta in modo abbastanza simile al flusso di un fluido.

Talvolta si parla anche di fluidodinamica idrodinamica, sebbene questo sia più un termine storico. Nel corso del ventesimo secolo, la frase "fluidodinamica" divenne molto più comunemente usata.

Tecnicamente, sarebbe più appropriato dire che l'idrodinamica è quando la fluidodinamica viene applicata ai liquidi in movimento e aerodinamica è quando la fluidodinamica viene applicata ai gas in movimento.

Tuttavia, in pratica, argomenti specifici come la stabilità idrodinamica e la magnetoidrodinamica usano il prefisso "idro-" anche quando applicano tali concetti al moto dei gas.