Mechanika płynów

Z Wikipedii

Mechanika płynów (ang. fluid mechanics) - dział mechaniki ośrodków ciągłych zajmujący się analizą ruchu płynów. Przez płyny rozumie się tutaj zarówno ciecze jak i gazy. Rozwiązaniem zagadnień mechaniki płynów zwykle jest określenie własności występujących w płynie takich jak prędkość, ciśnienie, a w niektórych przypadkach również gęstość i temperatura w zależności od współrzędnych przestrzennych i czasu.

[edytuj] Fundamentalne zasady mechaniki płynów

Mechanika opłynów, jako dziedzina naukowa oparta jest na trzech fundamentalnych zasadach:

zasadzie zachowania masy,
zasadzie zachowania pędu,
hipotezie ciągłości ośrodka.

Dwie pierwsze z powyższych zasad przejęte są z mechaniki ogólnej. W odnisieniu do nich stosuje się tylko specyficzną formę zapisu, zawierającą w sobie parametry hydrodynamiczne.

Natomiast hipoteza ciągłości przyjmuje, że płyn stanowi ośrodek ciągły, skłądajacy się nie z molekuł, lecz punktów materialnych. Takich punktów materialnych wchodzących w skad ośrodka jest niekończenie wiele. Płyn, traktowany jako ośrodek ciągły stanowi więc nieskończony, nieprzeliczalny i spójny zbiór punktów materialnych.

[edytuj] Działy mechaniki płynów

W zależności od rozpatrywanych wielkości, podobnie jak mechanikę klasyczną, mechanikę płynów dzieli się w sposób tradycyjny na poddziedziny:

Przy sprecyzowaniu obiektu badań (aero-: gaz; hydro-: ciecz):

Ten tradycyjny podział, pochodzący jeszcze z połowy XIX wieku jest archaiczny i nie odpowiada on aktualnemu stanowi wiedzy. Spotykany jest jednak w niektórych starszych podręcznikach (zwłaszcza polskich), których autorzy prezentują stan wiedzy sprzed stu lat.

Obecnie kinematyka i dynamika płynów traktowane są łącznie i większość specjalistów nie widzi potrzeby ich rozdzielania. Określenia hydrodynamika i aerodynamika posiadają obecnie konotacje znacznie różniące się od tych używanych w XIX wieku.

Obecnie aerodynamika zajmuje się ruchem płynów (właściwie tylko gazów) z prędkościami porównywalnymi z prędkością dźwięku w warunkach możliwości powstawania fal uderzeniowych. Tak rozumiana aerodynamika powiązana jest ściśle z termodynamiką, gdyż efekty cieplne odgrywają tutaj kluczową rolę i nie mogą być one pominięte.

Natomiat hydrodynamika zajmuje się ruchem płynów (zarówno cieczy jak i gazów) z prędkościami, przy których efekty termodynamiczne oraz efekty pojawiające się przy prędkościach porównywalnych z predkością dźwięku nie odgrywają istotnej roli i ich obecność może być zaniedbana. W tym sensie hydrodynamika mieści w sobie dawną kinematykę płynów. Jest też w zasadzie dziedziną zakładającą izotermiczność procesów transportu masy.

Wyróżnia się natomiast wyraźnie hydrodynamikę płynów idelanych od hydrodynamiki płynów rzeczywistych, zwanej bardziej ściśle hydrodynamiką płynów lepkich. Zasadnicza różnica między tymi działami dotyczny uwzględniania tarcia wewnętrznego w płynie przejawiającego się w postaci lepkości. W wielu sytuacjach uwzględnianie lub nieuwzględnianie lepkości prowadzi do całkowicie odmiennych fizykalnych obrazów przepływu. Odrębny jest także matematycny sposób opisu ruchu płynu w obydwu dziedzinach. W hydrodynamice płynów idelanych kluczową rolę odgrywają Równanie Eulera oraz jego całka - równanie Bernoulliego. Natomiast hydrodynamika płynów lepkich oparta jest na hydrodynamicznym prawie Newtona oraz równaniu Naviera-Stokesa.

Ponieważ zarówno prawo Newtona jak i równanie Naviera-Stokesa posiadają bardzo ograniczone możliwości zastosowań w odniesieniu do niestatecznych przepływów płynów lepkich, dlatego też w obrębie mechaniki płynów wyróżnić można szybko rozwijającą się teorię turbulencji.

Odrębnymi działami mechaniki płynów są też:

hydrodynamika przepływów wielofazowych, zajmujaca się równoczesnym przepływem dwóch lub więcej faz, niekiedy z uwzględnieniem przejść fazowych,
hydrodynamika podziemna, zajmujaca się bardzo powolnymi przepływami w ośrodkach porowatych, szczelinowych i szczelinowo-porowych,
dynamika płynów nieliniowych, zwana też dynamiką płynów nienewtonowskich, stanowiąca obecnie dział mechaniki ośrodków nieliniowych,
magnetohydrodynamika, zajmujaca się analizą ruchu plazmy w warunkach jej oddziaływania z polem elektromagnetycznym,
hydrodynamika płynów nadciekłych, nie mieszcząca się właściwie w obrębie mechaniki płynów ze względu na istotną rolę efektów kwantowych.

Każda z tych dziedzin posiada właściwą dla siebie, obszerną literaturę i nie są one omawiane w ogółnych podręcznikach mechaniki płynów.

[edytuj] Literatura

Batchelor G.K.: An Introduction to Fluid Dynamics, Cambridge University Press, Cambridge, (1965).
Flügge S. (Herausgegeber), Truesdel C. (Mitherausgegeber): Handbuch der Physik, Bd. VIII/1 Strömungsmechanik I, Bd. VIII/2 Strömungsmechanik II, Bd. VIII/3 Strömungsmechanik III, Springer, Berlin - Heidelberg - Göttingen.
Hinze J.O.: Turbulence - An Introduction to Its Mechnism and Theory, McGraw-Hill, New York, (1959).
von Kármán T.: Aerodynamik.
Kotchin, Kibel, Roze: Teoretitcheskaya gidromekhanika, t. 1, 2, Moskva, (1955).
Lamb H.: Hydrodynamics, Cambridge University Press, Cambridge, (istnieje wiele wydań poczynając od 1932 roku).
Landau L.D., Lifszyc E.M.: Hydrodynamika, Warszawa.
Landau L.D., Lifszyc E.M.: Mechanika ośrodków ciągłych, Warszawa.
Prosnak W.: Mechanika płynów, t. 1, 2, Warszawa.
Prandtl L.: Dynamika przepływów, Warszawa.
Prandtl L., Titjens O.G.: Fundamentals of Hydro- and Aerodynamics, McGraw-Hill, New York, (1934).