Кіріспе

Сұйықтықтар механикасы - сұйықтықтар механикасы (сұйықтықтар, газдар және плазмалар) және олардың күштерімен айналысатын физиканың саласы. Оның механикалық, аэроғарыштық, азаматтық, химиялық және биомедициналық инженерия, сондай-ақ геофизика, океанография, метеорология, астрофизика және биология сияқты көптеген салаларда қолданылуы бар. Оны сұйықтық статикасына, яғни тынышталған сұйықтықтарды зерттеуге, және сұйықтық динамикасына, яғни күштердің сұйықтық қозғалысына әсерін зерттеуге бөлуге болады. Бұл континуум механикасының саласы, ол материяны атомнан жасалғанын пайдаланбай модельдейді; яғни, ол материяны микроскопиялық емес, макроскопиялық тұрғыдан модельдейді. Сұйықтық механикасы, әсіресе сұйықтық динамикасы, зерттеудің белсенді саласы болып табылады, әдетте математикалық жағынан күрделі. Көптеген проблемалар ішінара немесе толық шешілмеген және оларды ең жақсы сандық әдістермен, әдетте компьютерлерді қолдану арқылы шешуге болады. Қазіргі заманғы пән, есептеулік сұйықтық динамикасы (CFD) деп аталады, бұл тәсілге арналған. Сұйықтық ағынын визуализациялау мен талдаудың эксперименталды әдісі болып табылатын бөлшектер бейнелі жылдамдық өлшеуіш тетіктің жоғары визуалды табиғатын пайдаланады.

Тарих

Сұйықтық механикасын зерттеу, кем дегенде, ежелгі Грекияның күндерінен басталады, Архимед сұйықтық статикасы мен жүзу қабілетін зерттеді және өзінің әйгілі заңын әзірледі, ол қазір Архимед принципі деп аталады, ол оның "Жүзу денелері туралы" еңбегінде жарияланды. Ирандық ғалым Әбу Райхан Бируни және кейін әл-Хазини сұйықтық механикасына тәжірибелік ғылыми әдістерді қолданды. Сұйықтықтар механикасының жылдам дамуы Леонардо да Винчиден (байқаулар мен тәжірибелер), Эвангелиста Торричеллиден (барометрді ойлап тапқан), Исаак Ньютоннан (жіптікті зерттеген) және Блез Паскальдан (гидростатиканы зерттеген, Паскаль заңын жасаған) басталды және оны Даниель Бернулли Гидродинамикадағы математикалық сұйықтық динамикасын енгізумен жалғастырды (1739). Қалың емес ағынды әр түрлі математиктер (Жан Ле Ронд д'Алембер, Жозеф Луи Лагранж, Пьер Симон Лаплас, Симеон Денис Пуассон) әрі қарай талдады, ал тұтқыр ағынды көптеген инженерлер зерттеді, соның ішінде Жан Леонард Мари Пуассейль және Готтильф Хаген. Навье-Сток теңдеулерінде Клод Луи Навье мен Джордж Габриэль Стокс математикалық негіздеме берді, ал шекаралық қабаттар зерттелді (Людвиг Прандтл, Теодор фон Карман), ал Осборн Рейнольдс, Андрей Колмогоров және Джеффри Инграм Тейлор сияқты әртүрлі ғалымдар сұйықтықтардың тұтқырлығы мен турбуленттігін түсінуді жетілдірді.

Сұйықтық статикасы

Сұйықтық статикасы немесе гидростатика - сұйықтықтарды тыныстаған күйінде зерттейтін сұйықтық механикасының саласы. Ол сұйықтықтардың тұрақты тепе-теңдікте тынышталған жағдайларын зерттейді; және сұйықтық динамикасымен, қозғалысдағы сұйықтықтарды зерттеумен қарама-қарсы. Гидростатика күнделікті өмірдегі көптеген құбылыстарға физикалық түсіндірме береді, мысалы, атмосфералық қысым неге биіктікке қарай өзгеріп отырады, неге ағаш пен мұнай су бетінде жүзіп жүреді және су бетінің су ыдысының пішініне қарамастан әрқашан тегіс болуы. Гидростатика - сұйықтықтарды сақтау, тасымалдау және пайдалану үшін жабдықтар инженериясы. Сонымен қатар, геофизика мен астрофизиканың кейбір аспектілеріне (мысалы, пластиналар тектоникасы мен Жердің гравитациялық өрісінің аномалияларын түсінуде), метеорологияға, медицинаға (қан қысымы жағдайында) және басқа да көптеген салаларға қатысты.

Сұйықтық динамикасы

Сұйықтық динамикасы - сұйықтықтардың ағынымен айналысатын сұйықтық механикасының субдисциплинасы - қозғалыс кезіндегі сұйықтықтар мен газдар туралы ғылым. Сұйықтық динамикасы осы практикалық пәндердің негізін құрайтын жүйелі құрылымды ұсынады, ол ағынды өлшеуден алынған эмпирикалық және жартылай эмпирикалық заңдылықтарды қамтиды және практикалық мәселелерді шешу үшін қолданылады. Сұйықтық динамикасының шешімін табу үшін, әдетте, сұйықтықтардың әртүрлі қасиеттерін есептеу қажет, мысалы жылдамдық, қысым, тығыздық және температура, кеңістік пен уақыт функциялары ретінде. Оның өзінде бірнеше субдисциплиналар бар, соның ішінде аэродинамика (ауа мен басқа да газдарды қозғалыс кезінде зерттеу) және гидродинамика (қозғалыс кезінде сұйықтықтарды зерттеу). Сұйықтық динамикасының көптеген қолданулары бар, соның ішінде ұшақтағы күштер мен қозғалыстарды есептеу, құбырлар арқылы мұнайдың массалық ағыны жылдамдығын анықтау, ауа райының өзгеруін болжау, жұлдыздар аралық кеңістіктегі тұмандықтарды түсіну және жарылыстарды модельдеу. Кейбір сұйықтық динамикалық принциптер жол қозғалысы және көпшілік динамикасында қолданылады.

Континуумдық механикамен байланысы

Сұйықтық механикасы - келесі кестеде көрсетілгендей, үздіксіз механиканың субдисциплинасы. Механикалық тұрғыдан алғанда, сұйықтық - бұл қиып-тартуды көтермейтін зат; сондықтан тынышталған сұйықтық оның құрамында бар ыдыстың пішініне ие. Тынық жағдайда сұйықтықтың қиып қию қысымы болмайды.

Навье-Стокес теңдеулері

Навье-Стокс теңдеулері (Клод Луи Навье мен Джордж Габриэль Стокстың есімімен аталған) - сұйықтық ішіндегі берілген нүктедегі күш тепе-теңдігін сипаттайтын дифференциалдық теңдеулер. Векторлық жылдамдық өрісі бар сығымсыз сұйықтық үшін Навье-Стокес теңдеулері Бұл дифференциалдық теңдеулер деформацияланатын материалдар үшін Ньютонның бөлшектер қозғалысы теңдеулеріне ұқсас. Навье-Стокес теңдеулері қысым мен тұтқырлыққа жауап ретінде импульстің (күштің) өзгеруін сипаттайды, кинематикалық тұтқырлықпен параметрленеді. Кейде дене күштерін, мысалы, гравитациялық күш немесе Лоренц күші теңдеулерге қосылады. Физикалық проблеманың Навье-Стокес теңдеулерін шешуді есептеудің көмегімен іздеу керек. Іс жүзінде, тек ең қарапайым жағдайларды ғана дәл осылай шешуге болады. Бұл жағдайларда, әдетте, Рейнольдс саны аз болатын турбулентті емес тұрақты ағындылық болады. Навье-Стокс теңдеулерінің шешімдері қазіргі уақытта тек компьютерлердің көмегімен ғана табылуы мүмкін. Бұл ғылым саласы - есептеулік сұйықтық динамикасы.

Қатты емес және тұтқыр сұйықтықтар

Ағымы жоқ сұйықтықтың тұтқырлығы жоқ, іс жүзінде ағымы жоқ ағындылық - математикалық өңдеуді жеңілдететін идеалдастыру. Шын мәнінде, таза инвизидті ағымдар тек супержиілік жағдайында ғана жүзеге асады. Әйтпесе, сұйықтықтар әдетте сіркелі болып табылады, бұл қасиет қатты беттің маңында шекаралық қабат ішінде жиі маңызды болып табылады, онда ағын қатты жердегі сырғанақсыз жағдайға сәйкес келуі керек. Кейбір жағдайларда сұйықтық механикалық жүйесінің математикасы шекаралық қабаттардың сыртындағы сұйықтық тұтқыр деп есептеп, содан кейін оның ерітіндісін жұқа ламинарлық шекаралық қабаттың ерітіндісіне сәйкес келтіру арқылы қарастырылуы мүмкін. Сұйықтық ағыны үшін сұйықтық жылдамдығы еркін сұйықтық пен сұйықтық арасында үздіксіз болуы мүмкін (бұл Бобер мен Джозеф жағдайына байланысты). Сонымен қатар, төменгі дыбыстан төмен жылдамдықтарда газды сығымдауға болмайды деп болжау пайдалы, яғни жылдамдық пен статикалық қысым өзгерсе де газдың тығыздығы өзгермейді.

Ньютондық және Ньютондық емес сұйықтықтар

Ньютондық сұйықтық (Исаак Ньютонның есімімен аталған) - қима қысымы қима жазықтығына перпендикуляр бағыттағы жылдамдық градиентіне сызықтық пропорционал сұйықтық деп анықталады. Бұл анықтаманы, сұйықтыққа әсер ететін күштерге қарамастан, оның ағып кетуін жалғастыру дегенді білдіреді. Мысалы, су - Ньютондық сұйықтық, өйткені ол қанша араластырса да сұйықтық қасиеттерін көрсетуді жалғастырады. Біршама қатаң емес анықтама - сұйықтық арқылы баяу қозғалатын кішкентай заттың соғу күші заттың күшін тигізетін күшке пропорционалды. (Тіреуді салыстырыңыз). Су сияқты маңызды сұйықтықтар, сондай-ақ газдардың көпшілігі Жердегі қалыпты жағдайда Ньютон сұйықтығы ретінде жақсы шамада әрекет етеді. Ал Ньютондық емес сұйықтықты араластыру "тозаң" қалдыруы мүмкін. Бұл уақыт өте біртіндеп толады. Бұл мінез-құлық пудинг, қара шөп немесе құм сияқты материалдарда байқалады (бұл құмның сұйықтық емес екендігіне қарамастан). Нейтондық емес сұйықтықты араластыру тұтқырлықтың төмендеуіне әкелуі мүмкін, сондықтан сұйықтық "түю" болып көрінеді (бұл тамшыламайтын бояуларда көрінеді). Ньютондық емес сұйықтықтардың көптеген түрлері бар, өйткені олар белгілі бір қасиетке бағынбайтын нәрсе ретінде анықталады. Мысалы, ұзақ молекулалық тізбектері бар сұйықтықтардың көпшілігі Ньютондық емес түрде әрекет ете алады.