流体力学を理解する

流体力学は、静止および運動中の流体の挙動 (液体、気体、血液、およびプラズマ) の広範な研究です。今日では幅広い用途があり、この分野には機械工学および化学工学、生物システム、天体物理学が含まれます。流体力学は、特に流体が生み出す力を研究します。

今日は、流体力学の定義、アプリケーション、枝、特性、歴史的背景について知ることができます。また、次のことにもさらされます:

• 連続体の力学を伴う流体力学
• 非粘性および粘性流体
• ニュートン流体と非ニュートン流体。ニュートン流体の方程式についても説明します。

流体力学とは

流体力学は、液体と気体の挙動、特にそれらが生み出す力の研究として定義できます。冒頭で述べたように、流体力学は静止流体 (流体静力学) と運動中 (流体力学) の研究です。また、せん断応力が加えられた状態で継続的に変形 (流動) する物質と定義することもできます。加えられた応力の大きさに関係なく変形します。

液体、気体、プラズマ、およびある程度のプラスチック固体は、流体の良い例です。流体は、形状の変化に対する内部抵抗を提供せず、容器の形状をとらなければなりません。

上の画像は、容器内の液体、気体、およびプラズマの挙動を示しています。

ほとんどの科学分野は、流体力学に関心を示しています。たとえば、物理学者は、磁場を通過する非常に高温のガスの流れを研究しています。これは、核融合反応のエネルギーを利用するための受け入れ可能な方法を探しているときに発生します。エンジニアは、実用的な目的で使用される流体によって生成される力のために、流体力学に関心を示しました。例としては、翼の設計、ジェット推進、風力タービン、油圧ブレーキなどがあります。これについてさらに説明します。

流体力学は、静止している流体と動いている流体の研究であることを理解する必要があります。流体は、一定の負荷の下で継続的に変形する材料として定義できます。運動学、応力、保存、調整、および構成は、流体力学の問題で役立つ 5 つの重要な用語です。これらの問題は、関心のあるシステムと関心のあるボリュームの選択によって異なり、ベクトル量の単純化を支配します。

流体力学の歴史的背景

流体力学は人間の生活において非常に重要な役割を果たしてきましたが、今後もこの影響を及ぼし続けるでしょう。これが、多くの好奇心旺盛な人々を魅了した理由です。古代ギリシャの歴史では、この問題について体系的な理論的研究が行われました。 16 ^th 世紀、流体の流れの支配方程式の開発が始まりました。 18 ^th そして19 何世紀にもわたって、質量、運動量、およびエネルギーの保存則は、最も一般的な形式で知られていました。 20 ^th 世紀、開発は理論的、実験的、そして最近では数値的な形で行われました。特別な場合の支配方程式の解は、理論分野で提供されました。実験的方法は、流速と流体特性を測定するために採用されています。コンピューターを使用して、流体力学の問題を数値的に処理することで、研究に新しい展望が開かれました。 21 世紀の共通の信念は、活動が新しい実験的および数値的ツールの開発に最も集中するというものです。また、新しい技術を開発するためのそれらのアプリケーション。

流体力学の応用

今日の大多数の観察では、生命は液体なしでは不可能だったでしょう。つまり、地球を覆う大気と海洋は流体です。流体力学は、無限の科学的および実用的な目的に役立ちます。非線形な場の理論で記述されているにも関わらず、流体現象が観測されやすいことから、ほぼすべての専門分野をひきつけています。したがって、流体力学のアプリケーションには、数学者、物理学者、生物学者、地質学者、海洋学者、大気科学者、およびほぼすべての種類のエンジニアリングを含むこの専門知識が含まれます。最近、アーティストは流体力学を研究し、活用し、活用することに惹かれています。これは、自然界をよりよく理解するための正式な計算技術を作成およびテストするために使用されます。また、人間の状態を改善しようとします。

流体力学の応用には、輸送、材料の加工と製造、発電と変換、土木インフラ、食料生産が含まれます。

流体力学の主な分野

以下は、流体力学の 2 つの主な分野です:

流体静力学:

流体力学のこの分野は、静水力学としても知られています。これは静止流体の研究であり、流体が安定した平衡状態で静止している条件の研究を含みます。静水圧流体力学は、日常生活の多くの現象を物理的に説明します。これには、大気圧が高度によって変化する理由、木や油が水に浮く理由、容器の形に関係なく水面が常に水平である理由が含まれます.

静水圧は、油圧、輸送、流体の使用、および保管用機器のエンジニアリングの基礎です。静水圧に関連するいくつかの側面には、地球物理学と天体物理学 (たとえば、地球の重力場におけるプレートテクトニクスと異常の理解)、気象学、血圧の側面における医学、および他の多くの専門分野が含まれます。

流体力学:

流体力学は、流体の流れを扱う流体力学の下位分野です。それが、動いている液体と気体の科学です。フロー測定から導き出され、実際の問題を解決するために使用される経験的および半経験的な法則を取り入れた、これらの実践的な分野を明らかにする体系的な構造を提供します。流体力学の問題はすでに解決されています。これらには、空間と時間の関数として、圧力、密度、速度、温度などの流体のさまざまな特性を計算することが含まれます。流体力学のこの分野には、空気やその他の気体の運動を研究する空気力学など、それ自体がいくつかの下位分野があります。流体力学は別の下位分野であり、運動中の液体の研究です。

流体力学のアプリケーションで前述したように、航空機の力や動きの計算など、幅広いアプリケーションがあります。また、パイプラインを通る石油の質量流量を決定し、進化する気象パターンを予測し、星間空間の星雲を理解し、爆発をモデル化します。最後に、いくつかの流体力学の原理が交通工学と群集力学で使用されています。

流体の基本原則

流体は離散分子で構成されています。これらの分子は非常に小さく、非常に低い圧力の気体を除きます。 1 ミリリットルあたりの分子の数は非常に膨大であるため、個々のエンティティと見なす必要があります。液晶として知られる液体では、媒体の特性を局所的に異方性にする方法で分子が詰め込まれています。ただし、空気や水を含む大部分の流体は等方性です。

流体力学では、異方性流体の状態は、単位体積あたりの平均質量、または密度 (p)、温度 (T)、および空間内のすべての点での速度 (V) を定義することによって記述されます。また、これらの巨視的特性と個々の分子の位置と速度との間に関係があり、直接的な用途はありません.

気体と液体の違いは、説明するよりも理解するのが非常に簡単です。しかし、これはまだ検討する必要があります。分子は、ガス中で互いにほとんど独立して移動するのに十分な距離にあります。気体は、膨張して利用可能な体積を満たす傾向があります。一方、液体分子は多かれ少なかれ接触しており、それらの間の短距離引力により凝集します。分子の動きが速すぎて、固体の特徴である秩序だった配列に落ち着くことができません。それでも、離れることはできません。

ただし、液体は液滴として、または自由表面を持つジェットとして存在できます。それらは、ガスのサンプルでは不可能な方法で、重力のみによって拘束されたビーカーに座ることさえできます。このようなサンプルは、分子が自由表面を横切って逃げるのに十分な速度で回収され、置換されないため、時間の経過とともに蒸発する可能性があります。通常、液滴とジェットの寿命は、蒸発を無視できるほど長いです。

流体力学と連続体力学の関係

流体力学は、連続体力学の下位分野です。以下は、この分野に関する下位分野のリストです。

流体力学 – これは、力を受けると変形する連続材料の物理学の研究です.

連続力学 – 連続材料の物理学の研究

堅実な仕組み – 定義された静止形状を持つ連続材料の物理学の研究。

レオロジー – 固体と流体の両方の特性を持つ材料の研究

弾力性 – 加えられた応力が除去された後、元の形状に戻る材料について説明します。

可塑性 – 十分な応力が加えられた後、永久に変形することを説明しています。

非ニュートン流体 – 加えられたせん断応力に比例するひずみ速度を受けません。

ニュートン流体 – 加えられたせん断応力に比例するひずみ速度を受ける。これについてはさらに説明します。

機械的に、流体はせん断応力をサポートしません。これが、静止時に流体が入っている容器の形状をしている理由です。静止流体にはせん断応力がありません。

流体力学の詳細については、ビデオをご覧ください:

非粘性流体と粘性流体

非粘性流体には粘性がなく、理想化されています。それは数学的処理を容易にします。超流動の場合、純粋な非粘性流れが実現されます。それ以外の場合、流体は一般に粘性があります。流体機械システムの数学は、境界層の外側の流体が非粘性であると仮定することで扱うことができます。ソリューションは、薄い層流境界層のソリューションに一致する必要があります。

ニュートン流体と非ニュートン流体

ニュートン流体は、アイザック・ニュートンにちなんで名付けられました。これは、せん断応力がせん断面に垂直な方向の速度勾配に線形に比例する流体として定義されます。つまり、流体に力が作用しても流れ続けるということです。水はニュートン流体の良い例です。これは、どれだけかき混ぜたり混ぜたりしても流体の性質を示し続けるためです。

良い例は、流体の中をゆっくりと移動する小さなオブジェクトの抗力が、オブジェクトに適用される力に比例することです。水やほとんどの気体などの重要な流体は、通常の状態ではニュートン流体として適切に動作します。

一方、非ニュートン流体はかき混ぜると穴が開くことがあります。これは、プリンやウーブレックなどの材料で発生する可能性があるため、時間の経過とともに徐々にいっぱいになります.非ニュートン流体を攪拌すると、流体の速度が低下し、流体が薄く見えることがあります。非ニュートン流体にはさまざまな種類があります。それらは、特定の特性に従わないものとして定義できます。たとえば、長い分子鎖を持つほとんどすべての流体は、非ニュートン反応を起こす可能性があります。

結論

流体力学の定義、歴史的背景、アプリケーション、枝、原理、および連続体力学との関係を示す、流体力学に関するこの記事は以上です。

この記事から多くのことを学んでいただければ幸いです。もしそうなら、他の学生と共有してください。読んでくれてありがとう。それではまた！