Dynamika płynów
Dynamika płynów mówi o tym, jak działają płyny (ciecze i gazy). Jest to jedna z najstarszych części nauki fizyki i jest badana przez fizyków, matematyków i inżynierów. Matematyka może opisać, jak poruszają się płyny, używając formuł matematycznych zwanych równaniami. Dynamika płynów gazowych nazywana jest aerodynamiką.
Zrozumienie, jak zachowują się płyny, pomaga nam zrozumieć takie rzeczy jak lot czy prądy oceaniczne. Na przykład, dynamika płynów może być używana do zrozumienia pogody, ponieważ chmury i powietrze są płynami. Dynamika płynów może być również wykorzystana do zrozumienia, jak samoloty latają w powietrzu lub jak statki i łodzie podwodne poruszają się w wodzie.
Programy komputerowe mogą wykorzystywać równania matematyczne dynamiki płynów do modelowania i przewidywania działań poruszających się płynów. Komputery bardzo pomogły nam zrozumieć dynamikę płynów, a niektórzy ludzie uczą się, jak modelować lub symulować płyny tylko za pomocą komputera. Badanie, w jaki sposób dynamika płynów może być wykonywana za pomocą komputerów, nazywa się obliczeniową dynamiką płynów (lub w skrócie CFD).
Ważne równania w dynamice płynów
Równania matematyczne, które rządzą przepływem płynów są proste do przemyślenia, ale bardzo trudne do rozwiązania. W większości rzeczywistych przypadków nie ma możliwości uzyskania rozwiązania, które można zapisać i zamiast tego do obliczenia odpowiedzi trzeba użyć komputera. Istnieją trzy podstawowe równania oparte na trzech zasadach.
Zachowanie masy: masa nie jest ani tworzona ani niszczona, po prostu przemieszcza się z jednego miejsca do drugiego. Daje to równanie zachowania masy. Czasami może to nie mieć zastosowania, np. w przypadku przepływu związanego z reakcją chemiczną.
Zachowanie energii: jest to pierwsze prawo termodynamiki, energia nigdy nie jest tworzona ani niszczona, zmienia tylko formę (np. energia kinetyczna w energię potencjalną) lub przemieszcza się.
Zachowanie pędu: jest to drugie prawo Newtona, które mówi, że siła = szybkość zmiany pędu. Moment pędu to masa razy prędkość. Równania pędu są równaniami, które utrudniają rozwiązywanie problemów w dynamice płynów. Istnieje wiele różnych wersji, które uwzględniają wiele różnych efektów. Równania Naviera-Stokesa są równaniami pędu, a równania Eulera są równaniami Naviera-Stokesa, ale bez uwzględnienia lepkości. W przypadku problemu 1D występuje jedno równanie pędu, a w przypadku 3D trzy równania, po jednym w każdym kierunku przestrzeni.
Do rozwiązania tych równań często potrzebne są dodatkowe informacje w postaci równania stanu. Wiąże ono właściwości termodynamiczne (zwykle ciśnienie i temperaturę) ze sobą dla danego typu płynu. Przykładem jest równanie stanu "gazu idealnego", które odnosi się do ciśnienia, temperatury i gęstości i działa dobrze dla gazów pod normalnym ciśnieniem (jak powietrze pod ciśnieniem atmosferycznym).
- Równanie Poiseuille'a
- Twierdzenie Bernoulliego
- Równania Naviera-Stokesa
Powiązane strony
Pytania i odpowiedzi
P: O czym opowiada książka Fluid Dynamics?
O: Dynamika płynów mówi o tym, jak działają płyny (ciecze i gazy).
P: Kto bada dynamikę płynów?
O: Dynamika płynów jest badana przez fizyków, matematyków i inżynierów.
P: W jaki sposób matematyka może opisać ruch płynów?
O: Matematyka może opisać ruch płynów za pomocą wzorów matematycznych zwanych równaniami.
P: Jak nazywa się dynamika płynów w gazach?
O: Dynamika płynów gazowych nazywana jest aerodynamiką.
P: Dlaczego zrozumienie zachowania płynów jest ważne?
O: Zrozumienie zachowania płynów pomaga nam zrozumieć takie zjawiska jak lot czy prądy oceaniczne.
P: W jaki sposób programy komputerowe mogą wykorzystywać równania matematyczne dynamiki płynów?
O: Programy komputerowe mogą wykorzystywać równania matematyczne dynamiki płynów do modelowania i przewidywania działania poruszających się płynów.
P: Jak nazywa się badanie dynamiki płynów za pomocą komputerów?
O: Badanie, w jaki sposób dynamika płynów może być wykonywana za pomocą komputerów, nazywane jest obliczeniową dynamiką płynów (w skrócie CFD).
