Механика флуида

Стварање кугластих капљица текуће воде смањује површину, која је резултат површинске напетости течности.

Хидростатитички притисак се повећава са дубином. Због разлике притисака на доњем делу коцке настаје узгон.

Начин рада хидрауличне пресе.

Торичелијев закон истицања.

Бернулијева једначина: кондензација видљива на горњој површини крила ваздухоплова Ербас А340 узрокована падом температуре која настаје због пада притиска.

Преклопна запорница на Брани Ероврок (САД).

Механика флуида или хидроаеро механика је део механике који изучава законе равнотеже и кретања флуида (течности, гасова и пласме) као и силе које делују на њих.. У механици флуида занемарују се структурна својства течности и гасова и сматрају се као средине непрекидно распоређене у простору. Механика флуида има примене у широком спектру дисциплина, укључујући машинско, грађевинско, хемијско и биомедицинско инжењерство, геофизику, океанографију, метеорологију, астрофизику и биологију.

Механика флуида се може поделити на статику флуида, студију флуида у мировању, и динамику флуида, студију ефеката сила на кретање флуида. То је грана механике континуума, предмета који се бави моделовањем материју без употребе информација на атомском нивоу; то јест, моделује се материја са макроскопског гледишта, а не са микроскопског. Механика флуида, посебно динамика флуида, активно је поље истраживања, типично математички сложено. Многи проблеми су делимично или у потпуности нерешени и најбоље их је решити нумеричким методама, обично користећи рачунаре. Модерна дисциплина, која се назива рачунска динамика флуида (CFD), посвећена је овом приступу. Брзинометрија слика честица, експериментална метода за визуелизацију и анализу протока течности, такође користи предности високо визуелне природе протока течности.

Кратка историја

Бернулијева једначина

Прва знања из механике флуида стечена су још у праисторији. Већ тада су људи имали нека знања из хидраулике. Правећи стреле, чамце, па чак и куће људи су знали којим облицима се најлакше може победити отпор ваздуха и воде. Изучавање механике флуида почело је у античкој Грчкој. Основе је поставио Архимед у свом делу О Пловећим телима, где је постављен и његов закон: „Сила потиска бројно је једнака тежини телом истиснутог флуида.”

Тек је у XVII веку Блез Паскал поставио законе о преношењу притиска у флуидима рекавши да је „притисак у мирној течности константан”. Дакле по његовом мишљену притисак у произвољном делу мирне течности је једнак у свим правцима и преноси се једнако по целој запремини флуида.

Механиком флуида су се бавили још и Роберт Бојл, Едм Мариот, Лагранж, Ојлер, Бернули, Вентури, Озборн Рејнолдс и многи други физичари.

Појам флуида

Главни чланак: Флуид

Флуид (лат. fluidum: течност) је течност или гас, течна или гасовита хемијска материја у којој молекули лако мењају свој релативан положај (вода, ваздух и друго). Привлачне силе међу честицама у флуиду слабије су од сила међу честицама чврсте материје, али су још увек довољно велике да изазову вискозност. Између флуида велике вискозности и аморфне чврсте материје граница није строго одређена. Идеални флуид је флуид којем су вискозност, површинска напетост, капиларност и остале последице међумолекуларних сила занемариве. Проучавањем својстава флуида бави се механика флуида, која се дели на хидростатику, хидродинамику и аеродинамику.

Хуков закон за флуиде

Основне разлике флуида и чврстих тела су: флуиди могу да теку и мењају облик запремине под дејством врло малих сила. Флуиди се понашају као еластичне средине само при њиховом свестраном сабијању. Хуков закон за флуиде има облик:

$\sigma =-E\delta$

Где је Е модул сабијања, а његова реципрочна вредност је коефицијент стишљивости.

Стишљиви и нестишљиви флуиди

Ако на површину течности тангенцијално дејствује врло мала сила, изазваће померање елемената те течности један у односу на други. Дакле, флуиди немају еластични отпор на тангенцијални напон, тј. модул смицања им је једнак нули Г=0. Услед тога течност је покретљива- тече, тј. не одржава сталан облик него само запремину. Гасови немају ни сталан облик ни сталну запремину те се тиме разликују од течности. Течности су практично нестишљиве па им је густина константна, тј. не зависи од притиска. Гасови су стишљиви па им густина зависи од притиска. Због ових својстава разликујемо стишљиви и нестишљиви флуид.

У циљу једноставнијих разматрања механике флуида уводи се појам идеалног флуида. То је флуид код кога је могуће занемарити унутрашње трење.

Хидростатика

Главни чланак: Хидростатика

Хидростатика је грана хидромеханике (механика флуида) која се бави појавама и силама у течностима које мирују. Три су основна закона хидростатике:

• У течности која испуњава затворену посуду вањски се притисак шири једнолико на све стране (Паскалов закон или хидростатички притисак). Хидростатички притисак у течности настаје због њене тежине. Експериментима се може доказати да се притисак у течности:
  • повећава са дубином;
  • једнак је на свим местима на истој дубини (у истој течности);
  • делује једнако у свим смеровима.

Практичну примену има тај закон код хидрауличке пресе.

• Свако тело уроњено у течности губи од своје тежине онолико колико је тешка њиме истиснута течност (Архимедов закон). Дакле, на тело уроњено у течности делује узгон, који је једнак и супротно усмерен тежини истиснуте течности. Другим речима може се рећи: „Тело уроњено у течност лакше је за тежину истиснуте течности”.

• Када тело плута на површини течности, тежина му је једнака тежини течности што је истиснута оним делом тела који се налази испод нивоа течности.

Хидродинамика

Главни чланак: Хидродинамика

Хидродинамика је грана механике флуида која се бави законима кретања течности и појавама узрокованим узајамним деловањем струје течности и тела које се граничи с течношћу у кретању.

Големо значење воде у развоју цивилизације присилило је човека да већ од давнина решава практичне проблеме водоводних система, уређаја за натапање и одводњу, за кретање бродова и слично, а с друге стране научна је знатижеља наводила појединце да траже теоријска тумачења сложених појава у вези са струјањем течности. Први значајнији закони хидродинамике потичу из 17 века, када су Еванђелиста Торичели и Исак Њутн поставили закон о истицању течности (Торичелијев закон). Основе класичне теоријске хидродинамике постављене су у 18. веку законима о кретању идеалне течности Данијела Бернулија (1738), Леонарда Ојлера (1775) и Жозефа Луја Лагранжа (1787). Из истога раздобља потиче и Бординов закон о удару течности (водни удар или хидраулички удар). Теорија кретања идеалне течности није имала већег значења за решавање практичних проблема, али је послужила као основа многим законима о понашању реалне течности. Тако је у 19. веку настала Навијер-Стоксова једначина о кретању вискозне течности (вискозност), те Дарси-Вејсбахов и Хаген-Пуазељеов закон губитка енергије при струјању воде кроз цеви; Озборн Рејнолдс први је систематски истражио ламинарно и турбулентно струјање вискозне течности (1883 – 1889) и дао једначине турбулентног струјања; V. Џ. M. Ранкин и Вилијам Фроуд, бавећи се хидродинамичким проблемима кретања брода, открили су законе који су омогућили научни приступ решавању облика бродског трупа; Х. Хелмхолц поставио је основе закона вртложнога струјања течности око уроњеног тела (1858), на основи чега је Николај Жуковски (1906) развио теорију која је омогућила тачан (егзактан) прорачун профила бродских и ваздухопловних пропелера, вахдухопловних крила и подводних тела. L. Прандтл поставио је теорију граничног слоја (1904), која омогућава јаснији увид у отпор трења тела уроњеног у струју течности.

Захваљујући многобројним аналитичким и експерименталним истраживањима у првој половини 20. века данас је постигнут голем напредак у примени закона хидродинамике при решавању сложених практичних проблема водоводних уређаја и хидрауличних енергетских система те проблема отпора, пропулзије и понашања бродова. Брзи развој у 20. веку хидродинамика великим делом дугује и истраживањима на подручју аеродинамике, јер при брзинама мањима од брзине звука вреде исти закони за кретање течности и гасова. Захваљујући развоју рачунара и експерименталних техника, данас је могуће сваку замишљену конструкцију (на пример брода) прво проверити на симулираном рачунарском моделу, а потом, у случају доброг резултата, на моделу у базену, што битно умањује трошкове испитивања и омогућава сваком конструктору проверу и развој специфичних хидродинамичких једначина. Велик део тога, као и у аеродинамици, заштићен је као пословна тајна појединих компанија.

Хидраулика

Главни чланак: Хидраулика

Хидраулика је дио механике флуида који се бави проучавањем стања равнотеже и струјања реалне течности, понајприје воде, кроз цеви, канале и отворе те појавâ које настају када таква течности струји око неког тела уроњеног у њу. Тај назив у почетку је означавао науку о кретању воде у цевима. Данас такво схваћање има само историјску вредност. Развојем производње и технике ширила су се и подручја проучавања и примене. Данас је спектар примене хидраулике толико широк да је тешко наћи неко подручје технике у којем се не би на неки начин користили њени закони. Најшира подручја примене закона хидраулике су хидротехника, мелиорације, хидрологија, опскрба водом и канализација, хидроенергетика и водени транспорт.

Види још

• Статика флуида
• Динамика флуида
• Бернулијева једначина
• Архимедов закон
• Паскалов закон

Литература

• „КУРС ОПШТЕ ФИЗИКЕ- физичка механика“, »ГРАЂЕВИНСКА КЊИГА«, др. Божидар Жижић, (Београд) 1987. год., . ISBN 978-86-395-0091-7
• Ј. D. Андерсон, Јр. (1997). А Хисторy оф Аеродyнамицс (Цамбридге Университy Пресс). ISBN 0-521-45435-2
• Ј. D. Андерсон, Јр. (1998). Соме Рефлецтионс он тхе Хисторy оф Флуид Дyнамицс, ин Тхе Хандбоок оф Флуид Дyнамицс (ед. бy Р.W. Јохнсон, ЦРЦ Пресс) Цх. 2.
• Ј. С. Цалеро (2008). Тхе Генесис оф Флуид Мецханицс, 1640–1780 (Спрингер). ISBN 978-1-4020-6414-2
• О. Дарригол (2005). Wорлдс оф Флоw: А Хисторy оф Хyдродyнамицс фром тхе Берноуллис то Прандтл (Оxфорд Университy Пресс). ISBN 0-19-856843-6
• П. А. Давидсон, Y. Канеда, К. Моффатт, анд К. Р. Среенивасан (едс, 2011). А Воyаге Тхроугх Турбуленце (Цамбридге Университy Пресс). ISBN 978-0-521-19868-4
• M. Ецкерт (2006). Тхе Даwн оф Флуид Дyнамицс: А Дисциплине Бетwеен Сциенце анд Тецхнологy (Wилеy-ВЦХ). ISBN 978-3-527-40513-8
• Г. Гарбрецхт (ед., 1987). Хyдраулицс анд Хyдраулиц Ресеарцх: А Хисторицал Ревиеw (А.А. Балкема). ISBN 90-6191-621-6
• M. Ј. Лигхтхилл (1995). Флуид мецханицс, ин Тwентиетх Центурy Пхyсицс ед. бy L.M. Броwн, А. Паис, анд Б. Пиппард (ИОП/АИП), Вол. 2, пп. 795–912.
• Х. Роусе анд С. Инце (1957). Хисторy оф Хyдраулицс (Иоwа Институте оф Хyдраулиц Ресеарцх, Стате Университy оф Иоwа).
• Г. А. Токатy (1994). А Хисторy анд Пхилосопхy оф Флуид Мецханицс (Довер). ISBN 0-486-68103-3
• Фалковицх, Грегорy (2011), Флуид Мецханицс (А схорт цоурсе фор пхyсицистс), Цамбридге Университy Пресс, ИСБН 978-1-107-00575-4, дои:10.1017/ЦБО9780511794353 
• Кунду, Пијусх К.; Цохен, Ира M. (2008), Флуид Мецханицс (4тх ревисед изд.), Ацадемиц Пресс, ИСБН 978-0-12-373735-9 
• Цуррие, I. Г. (1974), Фундаментал Мецханицс оф Флуидс, МцГраw-Хилл, Инц., ИСБН 0-07-015000-1 
• Массеy, Б.; Wард-Смитх, Ј. (2005), Мецханицс оф Флуидс (8тх изд.), Таyлор & Францис, ИСБН 978-0-415-36206-1 
• Назаренко, Сергеy (2014), Флуид Дyнамицс виа Еxамплес анд Солутионс, ЦРЦ Пресс (Таyлор & Францис гроуп), ИСБН 978-1-43-988882-7 
• Батцхелор, Георге К. (1967). Ан Интродуцтион то Флуид Дyнамицс. Цамбридге Университy Пресс. стр. 74. ИСБН 0-521-66396-2. 
• Ацхесон, D. Ј. (1990). Елементарy Флуид Дyнамицс. Цларендон Пресс. ИСБН 0-19-859679-0. 
• Цхансон, Х. (2009). Апплиед Хyдродyнамицс: Ан Интродуцтион то Идеал анд Реал Флуид Флоwс. ЦРЦ Пресс, Таyлор & Францис Гроуп, Леиден, Тхе Нетхерландс, 478 пагес. ИСБН 978-0-415-49271-3. 
• Цланцy, L. Ј. (1975). Аеродyнамицс. Лондон: Питман Публисхинг Лимитед. ИСБН 0-273-01120-0. 
• Ламб, Хораце (1994). Хyдродyнамицс (6тх изд.). Цамбридге Университy Пресс. ИСБН 0-521-45868-4.  Оригиналлy публисхед ин 1879, тхе 6тх еxтендед едитион аппеаред фирст ин 1932.
• Милне-Тхомпсон, L. M. (1968). Тхеоретицал Хyдродyнамицс (5тх изд.). Мацмиллан.  Оригиналлy публисхед ин 1938.
• Схинброт, M. (1973). Лецтурес он Флуид Мецханицс. Гордон анд Бреацх. ИСБН 0-677-01710-3. 
• Енцyцлопедиа: Флуид дyнамицс Сцхоларпедиа

Спољашње везе

• Фрее Флуид Мецханицс боокс
• Аннуал Ревиеw оф Флуид Мецханицс Архивирано на сајту Wayback Machine (19. јануар 2009)
• ЦФДWики – тхе Цомпутатионал Флуид Дyнамицс референце wики.
• Едуцатионал Партицле Имаге Велоциметрy – ресоурцес анд демонстратионс Архивирано на сајту Wayback Machine (3. август 2017)