Strömungsmechanik verstehen

Die Strömungsmechanik ist eine umfassende Untersuchung des Verhaltens von Flüssigkeiten (Flüssigkeiten, Gase, Blut und Plasmen) in Ruhe und in Bewegung. Es hat heute eine breite Palette von Anwendungen, dieses Gebiet umfasst Maschinenbau und chemische Technik, biologische Systeme und Astrophysik. Die Strömungsmechanik untersucht insbesondere die Kräfte, die Flüssigkeiten erzeugen.

Heute lernen Sie die Definition, Anwendungen, Zweige, Eigenschaften, historischen Hintergründe der Strömungsmechanik kennen. Außerdem werden Sie mit Folgendem konfrontiert:

• Fluidmechanik mit Kontinuumsmechanik.
• Reibungsfreie und viskose Flüssigkeiten.
• Newtonsche versus nicht-newtonsche Flüssigkeiten. Die Gleichung des Newtonschen Fluids wird ebenfalls diskutiert.

Was ist Strömungsmechanik?

Strömungsmechanik kann definiert werden als die Untersuchung des Verhaltens von Flüssigkeiten und Gasen, insbesondere der Kräfte, die sie erzeugen. Wie in der Einleitung erwähnt, ist die Strömungsmechanik die Lehre von Flüssigkeiten in Ruhe (Strömungsstatik) und in Bewegung (Strömungsdynamik). Es kann auch als eine Substanz definiert werden, die sich unter angelegter Scherbeanspruchung kontinuierlich verformt (fließt). Es verformt sich unabhängig von der Größe der aufgebrachten Spannung.

Flüssigkeiten, Gase, Plasmen und bis zu einem gewissen Grad plastische Feststoffe können ein gutes Beispiel für Fluide sein. Eine Flüssigkeit bietet keinen inneren Widerstand gegen Formänderungen und sie müssen die Form ihrer Behälter annehmen.

Das obige Bild zeigt das Verhalten von Flüssigkeiten, Gasen und Plasma in einem Behälter.

Die meisten wissenschaftlichen Disziplinen haben Interesse an der Strömungsmechanik gezeigt. Physiker untersuchen beispielsweise den Fluss extrem heißer Gase durch Magnetfelder. Dies geschieht bei der Suche nach einem akzeptablen Verfahren zur Nutzbarmachung der Energie von Kernfusionsreaktionen. Ingenieure interessierten sich für die Strömungsmechanik wegen der Kräfte, die von Flüssigkeiten erzeugt werden, die für praktische Zwecke verwendet werden. Einige Beispiele sind Tragflächendesign, Düsenantrieb, Windturbinen und hydraulische Bremsen. Dies wird weiter erklärt.

Sie sollten verstehen, dass die Strömungsmechanik das Studium von Flüssigkeiten in Ruhe und in Bewegung ist. Ein Fluid kann als ein Material definiert werden, das sich unter einer konstanten Belastung kontinuierlich verformt. Kinematik, Spannung, Erhaltung, Regulierung und konstitutiv sind die fünf wichtigen Begriffe, die bei strömungsmechanischen Problemen nützlich sind. Nun, diese Probleme können je nach Wahl des interessierenden Systems und des interessierenden Volumens variieren, die die Vereinfachung von Vektorgrößen bestimmen.

Historischer Hintergrund der Strömungsmechanik

Die Strömungsmechanik hat im menschlichen Leben eine sehr wichtige Rolle gespielt und wird diese Wirkung auch weiterhin einnehmen. Deshalb hat es viele Neugierige angezogen. In der antiken griechischen Geschichte wurden zu diesem Thema systematische theoretische Arbeiten durchgeführt. Im 16 Jahrhunderts begann die Entwicklung von Strömungsgleichungen. Im 18 und 19 ^th Jahrhunderts waren die Erhaltungssätze für Masse, Impuls und Energie in ihrer allgemeinsten Form bekannt. Im 20 Jahrhundert gab es Entwicklungen in theoretischer, experimenteller und neuerdings numerischer Form. Im theoretischen Bereich wurden Lösungen der maßgeblichen Gleichungen für Spezialfälle bereitgestellt. Die experimentellen Methoden wurden eingesetzt, um Strömungsgeschwindigkeiten und Flüssigkeitseigenschaften zu messen. Die numerische Behandlung strömungsmechanischer Probleme mit Hilfe von Computern eröffnete neue Perspektiven in der Forschung. Die allgemeine Überzeugung im 21. Jahrhundert ist, dass die Aktivitäten am intensivsten in der Entwicklung neuer experimenteller und numerischer Werkzeuge liegen werden. Auch deren Anwendung zur Entwicklung neuer Technologien.

Anwendungen der Strömungsmechanik

Mit der überwiegenden Mehrheit der heutigen Beobachtungen wäre das Leben ohne Flüssigkeiten undenkbar gewesen. Das heißt, die Atmosphäre und die Ozeane, die den Planeten bedecken, sind Flüssigkeiten. Die Strömungsmechanik dient unbegrenzten wissenschaftlichen und praktischen Zwecken. Es zieht fast alle Fachgebiete an, obwohl es durch eine nichtlineare Feldtheorie beschrieben wird und auch weil Fluidphänomene leicht beobachtet werden können. Zu den Anwendungen der Strömungsmechanik gehört dieses Fachwissen, darunter Mathematiker, Physiker, Biologen, Geologen, Ozeanographen, Atmosphärenwissenschaftler und fast alle Arten von Ingenieurwesen. Heutzutage fühlen sich Künstler dazu hingezogen, die Strömungsmechanik zu studieren, nutzbar zu machen und auszunutzen. Dies wird verwendet, um formale und rechnerische Techniken zu erstellen und zu testen, um die natürliche Welt besser zu verstehen. Es versucht auch, die menschliche Verfassung zu verbessern.

Die Anwendung der Strömungsmechanik umfasst Transport, Materialverarbeitung und -herstellung, Energieerzeugung und -umwandlung, zivile Infrastruktur und Lebensmittelproduktion.

Hauptzweige der Strömungsmechanik

Im Folgenden sind die beiden Hauptzweige der Strömungsmechanik aufgeführt:

Fluidstatik:

Dieser Zweig der Strömungsmechanik wird auch als Hydrostatik bezeichnet. Es ist eine Untersuchung von Flüssigkeiten im Ruhezustand und umfasst die Untersuchung der Bedingungen, unter denen Flüssigkeiten im stabilen Gleichgewicht ruhen. Hydrostatik Strömungsmechanik zeigt physikalische Erklärungen für viele Phänomene des alltäglichen Lebens. Dazu gehört der Grund, warum sich der atmosphärische Druck mit der Höhe ändert, warum Holz und Öl auf dem Wasser schwimmen und warum die Wasseroberfläche unabhängig von der Form des Behälters immer eben ist.

Die Hydrostatik ist die Grundlage für die Hydraulik, den Transport, die Nutzung von Flüssigkeiten und die Konstruktion von Speichern. Einige relevante Aspekte der Hydrostatik umfassen Geophysik und Astrophysik (z. B. das Verständnis von Plattentektonik und Anomalien im Gravitationsfeld der Erde), Meteorologie, Medizin in Bezug auf den Blutdruck und viele andere Fachgebiete.

Fluiddynamik:

Die Fluiddynamik ist eine Teildisziplin der Strömungsmechanik, die sich mit Strömungen befasst. Das ist die Wissenschaft von Flüssigkeiten und Gasen in Bewegung. Es bietet eine systematische Struktur, die diese praktischen Disziplinen aufzeigt, die empirische und semi-empirische Gesetzmäßigkeiten umfasst, die aus der Durchflussmessung abgeleitet und zur Lösung praktischer Probleme verwendet werden. Das Strömungsproblem wurde bereits gelöst. Dabei werden verschiedene Eigenschaften von Fluiden wie Druck, Dichte, Geschwindigkeit und Temperatur als Funktion von Raum und Zeit berechnet. Dieser Zweig der Strömungsmechanik hat selbst mehrere Unterdisziplinen, wie zum Beispiel die Aerodynamik, die das Studium von Luft und anderen Gasen in Bewegung ist. Hydrodynamik ist eine weitere Unterdisziplin, die das Studium von Flüssigkeiten in Bewegung ist.

Wie bereits in den Anwendungen der Fluiddynamik erwähnt, hat sie ein breites Anwendungsspektrum, einschließlich der Berechnung von Kräften und Bewegungen in Flugzeugen. Es bestimmt auch den Massendurchfluss von Erdöl durch eine Pipeline, prognostiziert sich entwickelnde Wettermuster, versteht Nebel im interstellaren Raum und modelliert Explosionen. Schließlich werden einige Prinzipien der Fluiddynamik in der Verkehrstechnik und in der Massendynamik verwendet.

Grundlagen von Flüssigkeiten

Flüssigkeiten bestehen aus diskreten Molekülen; diese Moleküle sind so klein und außer in Gasen bei sehr niedrigen Drücken. Die Zahl der Moleküle pro Milliliter ist so enorm, dass sie als einzelne Einheiten betrachtet werden müssen. In einer Flüssigkeit, den sogenannten Flüssigkristallen, sind Moleküle so zusammengepackt, dass die Eigenschaften des Mediums lokal anisotrop werden. Allerdings sind die meisten Flüssigkeiten, einschließlich Luft und Wasser, isotrop.

In der Strömungsmechanik wird der Zustand anisotroper Flüssigkeiten beschrieben, indem ihre mittlere Masse pro Volumeneinheit oder Dichte (p), Temperatur (T) und ihre Geschwindigkeit (V) an jedem Punkt im Raum definiert werden. Außerdem besteht eine Verbindung zwischen diesen makroskopischen Eigenschaften und den Positionen und Geschwindigkeiten einzelner Moleküle, die keinen direkten Nutzen haben.

Der Unterschied zwischen Gasen und Flüssigkeiten ist sehr leicht wahrzunehmen als zu beschreiben. Das muss aber noch geprüft werden. Moleküle sind weit genug voneinander entfernt, um sich in Gasen nahezu unabhängig voneinander zu bewegen. Gase neigen dazu, sich auszudehnen, um jedes verfügbare Volumen auszufüllen. Andererseits stehen flüssige Moleküle mehr oder weniger in Kontakt und haften aufgrund der kurzreichweitigen Anziehungskräfte zwischen ihnen. Die Moleküle bewegen sich zu schnell, um sich in den für Festkörper charakteristischen geordneten Anordnungen niederzulassen. Trotzdem können sie nicht auseinanderfliegen.

Flüssigkeit kann jedoch als Tropfen oder als Strahl mit freier Oberfläche vorliegen. Sie können sogar in Bechern sitzen, die nur durch die Schwerkraft eingeschränkt sind, so wie Gasproben dies nicht können. Solche Proben können mit der Zeit verdunsten, da ihre Moleküle mit ausreichender Geschwindigkeit aufgenommen werden, um über die freie Oberfläche zu entweichen und nicht ersetzt werden. Die Lebensdauer von Flüssigkeitstropfen und -strahlen ist normalerweise lang genug, um die Verdunstung zu vernachlässigen.

Beziehung der Strömungsmechanik zur Kontinuumsmechanik

Die Strömungsmechanik ist eine Teildisziplin der Kontinuumsmechanik. Nachfolgend finden Sie eine Liste der Unterdisziplinen zu diesem Bereich.

Flüssigkeitsmechanik – Dies ist das Studium der Physik von kontinuierlichen Materialien, die sich verformen, wenn sie einer Kraft ausgesetzt werden.

Kontinuumsmechanik – das Studium der Physik kontinuierlicher Materialien.

Solide Mechanik – das Studium der Physik kontinuierlicher Materialien mit definierter Ruheform.

Rheologie – die Untersuchung von Materialien mit sowohl festen als auch flüssigen Eigenschaften.

Elastizität – beschreibt Materialien, die in ihre Ruheform zurückkehren, nachdem angelegte Spannungen entfernt wurden.

Plastizität – es beschreibt, dass es sich nach ausreichender Belastung dauerhaft verformt.

Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten – Sie unterliegen keinen Dehnungsraten, die proportional zur aufgebrachten Scherspannung sind.

Newtonsche Flüssigkeiten – Dehnungsraten proportional zur aufgebrachten Scherspannung erfahren. Dies wird weiter erklärt.

Fluide tragen mechanisch keine Scherbeanspruchung, weshalb sie im Ruhezustand die Form ihres umgebenden Gefäßes haben. Eine ruhende Flüssigkeit hat keine Scherspannung.

Sehen Sie sich das Video an, um mehr über Strömungsmechanik zu erfahren:

Reibungsfreie und viskose Flüssigkeiten

Eine reibungsfreie Flüssigkeit hat keine Viskosität, sie ist eine Idealisierung. Das erleichtert die mathematische Behandlung. Bei Suprafluidität wird eine reine reibungsfreie Strömung realisiert. Ansonsten sind Flüssigkeiten im Allgemeinen viskos. Die Mathematik eines strömungsmechanischen Systems kann behandelt werden, indem angenommen wird, dass die Flüssigkeit außerhalb der Grenzschichten nichtviskos ist. Die Lösung sollte an die für eine dünne laminare Grenzschicht angepasst werden.

Newtonsche und nicht-Newtonsche Flüssigkeiten

Die Newtonsche Flüssigkeit ist nach Isaac Newton benannt. Es ist definiert als das Fluid, dessen Scherspannung linear proportional zum Geschwindigkeitsgradienten in der Richtung senkrecht zur Scherebene ist. Das bedeutet, dass unabhängig von der Krafteinwirkung auf eine Flüssigkeit diese weiter fließt. Wasser ist ein gutes Beispiel für eine Newtonsche Flüssigkeit, da es unabhängig davon, wie viel es gerührt oder gemischt wird, weiterhin flüssige Eigenschaften aufweist.

Ein gutes Beispiel ist, dass der Widerstand eines kleinen Objekts, das langsam durch die Flüssigkeit bewegt wird, proportional zu der auf das Objekt ausgeübten Kraft ist. Wichtige Flüssigkeiten wie Wasser und die meisten Gase verhalten sich unter normalen Bedingungen in guter Näherung wie eine Newtonsche Flüssigkeit.

Andererseits kann eine nicht-newtonsche Flüssigkeit beim Rühren ein Loch hinterlassen. Dies wird sich im Laufe der Zeit allmählich füllen, da es in Materialien wie Pudding und Oobleck vorkommen kann. Das Rühren einer nicht-newtonschen Flüssigkeit kann die Geschwindigkeit der Flüssigkeit verringern, wodurch sie dünner erscheint. Es gibt verschiedene Arten von nicht-newtonschen Flüssigkeiten. Sie können als etwas definiert werden, das einer bestimmten Eigenschaft nicht gehorcht. Beispielsweise können fast alle Flüssigkeiten mit langen Molekülketten auf nicht-newtonsche Weise reagieren.

Schlussfolgerung

Das ist alles für diesen Beitrag zur Strömungsmechanik, in dem wir ihre Definition, ihren historischen Hintergrund, Anwendungen, Zweige, Prinzipien und ihre Beziehung zur Kontinuumsmechanik angeben.

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