Tabla de Contenidos
Động lực học chất lỏng, hay động lực học chất lỏng, là một môn vật lý nghiên cứu sự chuyển động của chất lỏng, nghĩa là chất lỏng và chất khí, bao gồm cả sự tương tác giữa hai chất lỏng và của chất lỏng với vật liệu ngăn hoặc ranh giới. Động lực học chất lỏng là một trong hai nhánh của cơ học chất lỏng, nhánh còn lại là nghiên cứu tĩnh hoặc tĩnh của chất lỏng, tức là tĩnh học chất lỏng.
động lực học chất lỏng
Động lực học chất lỏng là một mô hình vĩ mô của vật chất và các tương tác của nó. Trong ngữ cảnh này, thuật ngữ “chất lỏng” dùng để chỉ cả chất lỏng và chất khí; Hãy nhớ rằng sự khác biệt là chất lỏng, hay chất lỏng không nén được, không thay đổi thể tích khi áp suất tăng, trong khi chất khí, chất lỏng nén, giảm thể tích khi áp suất tăng. Giả thuyết cơ bản cho rằng chất lỏng là một vật liệu liên tục trong không gian mà nó chiếm giữ, và do đó thành phần vi mô, các nguyên tử và phân tử hoặc các thành phần không liên tục của nó không được xem xét.
Động lực học chất lỏng còn được gọi là động lực học; trong trường hợp chất lỏng không thể nén được, chất lỏng, nó được gọi là thủy động lực học và khí động học khi nghiên cứu chất lỏng nén được, chất khí. Thủy động lực học nghiên cứu động lực học của chất lỏng dẫn điện tương tác với điện trường và từ trường. Trạng thái của vật chất được gọi là plasma ở nhiệt độ thấp cũng có thể được nghiên cứu bằng các mô hình động lực học chất lỏng.
Như trong bất kỳ mô hình vật lý nào, động lực học chất lỏng được cấu trúc dựa trên một loạt các giả thuyết và nguyên tắc, một số trong số chúng tổng quát hơn, tương ứng với cơ học chất lỏng. Một trong những nguyên tắc đầu tiên được thừa nhận trong lịch sử là nguyên tắc liên quan đến sức nổi ; Nguyên lý Archimedes, được đề xuất bởi nhà vật lý và toán học Hy Lạp cổ đại vào thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên. Nguyên lý của Archimedes quy định rằng một cơ thể chìm một phần hoặc hoàn toàn trong chất lỏng ở trạng thái nghỉ chịu một lực thẳng đứng hướng lên bằng với trọng lượng của chất lỏng bị chiếm chỗ bởi cơ thể. Khi nó xuất hiện từ định đề, nguyên tắc tương ứng với tĩnh học của chất lỏng.
Khi nghiên cứu một chất lỏng đang chuyển động, áp suất, vận tốc và mật độ là ba biến số quan trọng trong động lực học chất lỏng. Mật độ thường được biểu thị bằng ký hiệu ρ , vận tốc bằng v , và áp suất bằng p .
nguyên lý của Bernoulli
Nguyên lý Bernoulli là một trong những nguyên lý của động lực học chất lỏng, được Daniel Bernoulli đưa ra vào năm 1738. Nguyên lý này được đưa ra cho một chất lỏng lý tưởng, không có độ nhớt và nói rằng một chất lỏng lưu thông trong các đường ống trong một mạch kín có năng lượng không đổi. Các dạng năng lượng khác nhau, động năng và thế năng, được cân bằng để giữ cho tổng năng lượng không đổi . Áp suất giảm khi vận tốc của chất lỏng tăng. Nguyên lý Bernoulli có giá trị khi không có tổn thất năng lượng trong các quá trình vật lý khác, hoặc chúng rất nhỏ và có thể bỏ qua, chẳng hạn như bức xạ nhiệt, lực nhớt hoặc nhiễu loạn.
Nguyên lý Bernoulli được biểu diễn bằng toán học bởi Leonhard Euler trong cái gọi là phương trình Bernoulli . Phương trình biểu thị sự bảo toàn tổng của ba dạng năng lượng tại bất kỳ điểm nào của chất lỏng trong hệ thống; động năng, năng lượng của dòng chảy biểu thị bằng áp suất và thế năng.
( ρ .v 2 /2) + p + ρ .gz = k
trong đó ρ là mật độ của chất lỏng, v là tốc độ của nó và p là áp suất của nó; g là gia tốc trọng trường và z là độ cao của điểm của hệ thống được xem xét đối với một mức tham chiếu. Tổng của ba dạng năng lượng này bằng một hằng số k tại bất kỳ điểm nào trong hệ, và do đó hằng số này có thể được cân bằng tại hai điểm khác nhau a và b, và các biến thủy động lực học có thể được liên hệ như sau.
( ρ .v a 2 /2) + p a + ρ .gz a = ( ρ .v b 2 /2) + p b + ρ .gz b
Độ nhớt và chất lỏng Newton
Độ nhớt là một thông số cơ bản của chất lỏng. Độ nhớt được định nghĩa là sức cản của chất lỏng đối với sự biến dạng hoặc dòng chảy của nó. Hai loại độ nhớt được phân biệt: độ nhớt động lực μ , và độ nhớt động học ν = μ / ρ .
Cùng với định nghĩa về chất lỏng nhớt, một khái niệm quan trọng khác trong động lực học chất lỏng là chất lỏng Newton. Chúng là chất lỏng trong đó độ nhớt có thể được coi là không đổi ở một áp suất và nhiệt độ nhất định, đồng thời độ nhớt nói trên không phụ thuộc vào các biến số khác của chất lỏng, chẳng hạn như lực hoặc tốc độ. Chất lỏng Newton là dễ nghiên cứu nhất, với nước và dầu là những ví dụ phổ biến nhất. Giả thuyết này cho phép chúng ta thiết lập mối quan hệ tuyến tính giữa lực mà chất lỏng chịu tác động chuyển động giữa hai bề mặt và vận tốc dòng chất lỏng. Trường hợp điển hình, thể hiện trong hình dưới đây, là một bề mặt A chuyển động với tốc độ v trên một bề mặt khác (mặt phẳng B) cách nhau một khoảng y, khoảng cách chiếm bởi chất lỏng Newton có độ nhớt μ .
Nếu chất lỏng là Newton, lực F chống lại chuyển động là F = μ .A.(v/y) . Theo cách này, nếu có một chất lỏng chuyển động trên một bề mặt tác dụng một lực không đổi lên nó, thì sẽ thu được sự biến thiên vận tốc tuyến tính của chất lỏng với khoảng cách đến bề mặt cố định, trong đó vận tốc của chất lỏng bằng không.
dòng chảy
Cho rằng động lực học chất lỏng bao gồm nghiên cứu về chất lỏng đang chuyển động, trước hết chúng ta phải xác định một tham số cơ bản cho phép chúng ta tiếp cận phân tích này. Tham số này là lưu lượng , là lượng chất lỏng di chuyển qua một diện tích bề mặt nhất định trên một đơn vị thời gian . Khái niệm dòng chảy được sử dụng để mô tả nhiều tình huống liên quan đến chất lỏng: không khí thổi qua lỗ hoặc chất lỏng di chuyển qua đường ống hoặc trên bề mặt.
Như đã nêu, chất lỏng có thể nén được, điển hình là chất khí, là chất lỏng giảm thể tích khi áp suất tăng, tức là khi bị nén. Có thể giảm tiết diện của ống dẫn khí và duy trì cùng một dòng chảy bằng cách vận chuyển không khí với cùng tốc độ; Đối với điều này, áp suất của hệ thống sẽ phải tăng lên để chứa cùng một khối lượng không khí trong một thể tích nhỏ hơn. Khi một chất lỏng nén được đang chuyển động, có thể có sự thay đổi không gian về mật độ của nó. Ngược lại, một chất lỏng không nén được đang chuyển động không thay đổi mật độ của nó tại bất kỳ điểm nào trong hệ thống.
Dòng chảy của chất lỏng có thể có nhiều đặc điểm khác nhau, tùy thuộc vào hệ thống đang được nghiên cứu và các điều kiện của nó. Nếu dòng chảy không thay đổi theo thời gian, nó được gọi là không đổi. Và nếu dòng chảy ở trạng thái ổn định, điều này ngụ ý rằng các tính chất của chất lỏng, chẳng hạn như tốc độ hoặc mật độ tại mỗi điểm, cũng không thay đổi theo thời gian. Có thể xảy ra trường hợp bạn có một hệ thống trong đó có dòng chảy không đổi nhưng tính chất của chất lỏng thay đổi, trong trường hợp đó, dòng chảy sẽ không ổn định. Mặt khác, phát biểu ngược lại là đúng: tất cả từ thông ở trạng thái ổn định hàm ý từ thông không đổi. Một trường hợp rất đơn giản là nước chảy qua một đường ống do máy bơm dẫn động. Lưu lượng, lượng nước đi qua một đoạn ống trên một đơn vị thời gian (ví dụ lít trên phút), là hằng số. Bên cạnh đó,
Ngược lại, nếu một số tính chất của chất lỏng thay đổi theo thời gian tại một số điểm trong hệ thống, chúng ta có dòng chảy không ổn định hoặc trạng thái nhất thời của dòng chảy. Mưa chảy xuống máng xối trong cơn bão là một ví dụ về dòng chảy không ổn định; Lượng nước đi qua một đoạn rãnh trong một đơn vị thời gian thay đổi theo cường độ mưa. Các hệ thống ở trạng thái không ổn định hoặc nhất thời khó nghiên cứu hơn các hệ thống đứng yên, vì các biến thể theo thời gian khiến việc tiếp cận tình huống trở nên phức tạp hơn.
dòng chảy tầng và dòng chảy rối
Một cách tiếp cận đầu tiên đối với ý tưởng về dòng chảy tầng là nghĩ về chuyển động trơn tru của một chất lỏng, giống như dầu chảy chậm trên một bề mặt; Ngược lại, trong dòng chảy rối, chất lỏng trở nên trộn lẫn hỗn loạn bên trong nó khi thể tích vĩ mô di chuyển. Hình dưới đây mô tả một cách sơ đồ dòng chảy tầng và dòng chảy rối sẽ như thế nào trong một chất lỏng di chuyển trong một đường ống, trong đó các mũi tên tượng trưng cho quỹ đạo của các thể tích chất lỏng nhỏ. Theo định nghĩa này, dòng chảy rối là trạng thái của dòng chảy không ổn định. Tuy nhiên, với dòng chảy rối, bạn có thể có dòng chảy không đổi, bởi vì mặc dù chất lỏng trộn lẫn bên trong nó khi nó di chuyển, nhưng có thể tổng lượng chất lỏng đi qua một bề mặt trên một đơn vị thời gian không thay đổi theo thời gian.
Trong cả hai loại dòng xoáy, có thể tạo ra các xoáy và tuần hoàn. Sự khác biệt giữa cả hai dòng chảy nằm ở sự chuyển động hỗn loạn của các thể tích chất lỏng nhỏ, độc lập với chuyển động vĩ mô.
Tham số vật lý xác định dòng chảy tầng hay chảy rối là số Reynolds, Re . Tham số này do kỹ sư và nhà toán học người Ireland Osborne Reynolds đề xuất vào năm 1883. Công trình nghiên cứu của Reynolds và những nghiên cứu do nhà vật lý và toán học người Ireland George Gabriel Stokes và người Pháp Claude Louis Naiver phát triển vào nửa sau thế kỷ 19 đã cho phép phát triển tham số này. các biểu thức toán học cơ bản của động lực học chất lỏng, các phương trình Navier-Stokes, có giá trị đối với chất lỏng Newton.
Số Reynolds thể hiện mối quan hệ giữa lực quán tính trong chất lỏng và lực liên quan đến độ nhớt. Trong trường hợp chất lỏng chảy qua một ống thẳng, số Reynolds có biểu thức sau
Lại = ρ .vD/ μ
trong đó ρ là khối lượng riêng của chất lỏng, μ là độ nhớt của nó, v là vận tốc của nó trong ống và D là đường kính của ống.
Mặc dù biểu thức của số Reynolds phụ thuộc vào hệ thống đang được nghiên cứu, nhưng nó là một tham số không có thứ nguyên, không có đơn vị và do đó việc giải thích giá trị của nó không phụ thuộc vào các đặc tính của hệ thống. Giá trị cao của Re tương ứng với dòng chảy rối, trong khi giá trị thấp tương ứng với dòng chảy tầng. Tầm quan trọng trong việc xác định đặc tính dòng chảy này nằm ở chỗ cả đặc tính dòng chảy và mô hình toán học để nghiên cứu hệ thống đều khác nhau.
Dòng chảy trong một đường ống và trong một kênh mở
Hai hệ thống liên quan đến chất lỏng chuyển động rất thú vị để so sánh là dòng chảy qua một đường ống và dòng chảy trong một kênh mở. Trong trường hợp đầu tiên, chất lỏng di chuyển bên trong giới hạn cứng của vật chứa, chẳng hạn như nước chảy bên trong đường ống hoặc không khí di chuyển bên trong ống dẫn. Trong trường hợp dòng chảy trong một kênh mở, có một phần của dòng chảy không tiếp xúc với bề mặt cứng, nghĩa là nó mở. Đây là trường hợp của một dòng sông, nước mưa chảy qua máng xối hoặc kênh tưới tiêu. Trong những ví dụ này, bề mặt của nước tiếp xúc với không khí là bề mặt tự do của dòng chảy.
Dòng chảy trong một đường ống được điều khiển bởi áp suất tác động lên chất lỏng bằng máy bơm hoặc cơ chế khác, hoặc bằng trọng lực. Nhưng trong các hệ thống kênh mở, lực tác dụng chính là trọng lực. Hệ thống cung cấp nước uống thường sử dụng lực hấp dẫn để phân phối nước được lưu trữ trước đó trong các bể chứa cao hơn mức nhà ở. Sự khác biệt về chiều cao tạo ra áp suất lên chất lỏng do lực hấp dẫn tác dụng lên bề mặt tự do của nước chứa trong bể.
ứng dụng của động lực học chất lỏng
Hai phần ba bề mặt Trái đất được bao phủ bởi nước và hành tinh được bao phủ bởi một lớp khí, bầu khí quyển. Và những chất lỏng này hầu hết đang chuyển động. Do đó, động lực học chất lỏng có liên quan chặt chẽ với cuộc sống và tự nhiên, bên cạnh nhiều ứng dụng trong sự phát triển công nghệ của nhân loại. Hãy xem bốn ngành khoa học và công nghệ dựa trên các ứng dụng của động lực học chất lỏng.
Hải dương học, khí tượng học và khoa học khí hậu . Khí quyển là một hỗn hợp khí đang chuyển động có thể được phân tích bằng các mô hình động lực học chất lỏng và là đối tượng nghiên cứu của khoa học khí quyển. Giống như nghiên cứu về các dòng hải lưu, rất quan trọng để hiểu và dự đoán các kiểu thời tiết , cũng có thể được nghiên cứu bằng các mô hình động lực học chất lỏng.
Hàng không . Hành vi của máy bay, trong tất cả các loại của nó và trong các khía cạnh khác nhau mà cần phải nghiên cứu chúng, là đối tượng nghiên cứu của động lực học chất lỏng nén.
Địa chất và Địa vật lý . Nghiên cứu về sự chuyển động của các mảng kiến tạo và các quá trình núi lửa có liên quan đến sự chuyển động của magma, chất lỏng chảy trong lòng đất. Việc áp dụng các mô hình động lực học chất lỏng là nền tảng trong nghiên cứu các quá trình này.
Huyết học và huyết động học . Hành vi của chất lỏng là cần thiết trong tất cả các quá trình sinh học, cả ở cấp độ tế bào và sinh lý học của sinh vật, trong dung dịch và huyền phù, chẳng hạn như máu. Động lực học chất lỏng cho phép phát triển các mô hình nghiên cứu các chất lỏng thiết yếu này cho sự sống.
nguồn
Peñaranda Osorio, Caudex Vitelio. Cơ học chất lỏng. Phiên bản ECOE, 2018.
Mott, Robert. Cơ học chất lỏng . Pearson Education, tái bản lần thứ 6, Mexico, 2006.
