مکانیک سیالات
| مکانیک محیط‌های پیوسته |
|---|
مکانیک سیالات یا مکانیک شاره‌ها (به انگلیسی: Fluid mechanics) شاخه‌ای از فیزیک است که به بررسی سیالات (مایعات، گازها و پلاسما) و نیروهای آنها می‌پردازد.[۱] این رشته در طیف گسترده‌ای از رشته‌ها، از جمله مهندسی مکانیک، مهندسی هوافضا، مهندسی عمران، مهندسی شیمی و زیست‌پزشکی، ژئوفیزیک، اقیانوس‌شناسی، هواشناسی، اخترفیزیک و زیست‌شناسی کاربرد دارد.
مکانیک سیالات را می‌توان به دو دسته کلی تقسیم کرد: استاتیک سیالات که مطالعه سیالات در حال سکون است و دینامیک سیالات که مطالعه سیالات و اثر نیروها بر روی آنها در حال حرکت است.[۱] این رشته شاخه‌ای از مکانیک محیط‌های پیوسته است، که در آن ماده در سطح ماکروسکوپی مدل می‌شود و نه میکروسکوپی. مکانیک سیالات، به ویژه دینامیک سیالات، یک زمینه تحقیقاتی فعال است که به‌طور معمول از نظر ریاضی پیچیده‌است. بسیاری از مسئله‌ها تا حدی یا کاملاً حل نشده‌است و بهتر است با روش‌های عددی، معمولاً با استفاده از رایانه، حل شوند. یک رشته مدرن، به نام دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)، به این روش اختصاص یافته‌است.[۲]
تاریخچه
[ویرایش]تاریخ مطالعه مکانیک سیالات حداقل به دوران یونان باستان برمی‌گردد، زمانی که ارشمیدس، استاتیک و شناوری سیالات را بررسی کرد و قانون معروف خود را که امروزه با عنوان اصل ارشمیدس شناخته می‌شود، فرموله کرده، و آن را در کتاب خود با عنوان "در مورد اجسام شناور" منتشر کرد. محقق ایرانی ابوریحان بیرونی و بعدها خازنی روش‌های علمی تجربی را در مکانیک سیالات به کار بردند.[۳] پیشرفت سریع در مکانیک سیالات با مشاهدات و آزمایشهای لئوناردو داوینچی، اختراع فشارسنج توسط اوانجلیستا توریچلی، بررسی ویسکوزیته توسط آیزاک نیوتن و تحقیقات بلز پاسکال در زمینه هیدرواستاتیک و فرمولبندی قانون پاسکال آغاز شد و با معرفی دینامیک سیالات ریاضی در کتاب Hydrodynamica توسط دانیل برنولی ادامه یافت.
جریان غیر ویسکوز (Inviscid flow) توسط ریاضیدانان مختلف (ژان لو رون دالامبر، جوزف لوئیس لاگرانژ، پیر سیمون لاپلاس، سیمئون دنیس پواسون) مورد تجزیه و تحلیل بیشتر قرار گرفت و جریان ویسکوز توسط بسیاری از مهندسان از جمله ژان لئونارد ماری پوازوی و گوتیلف هیگن مورد بررسی قرار گرفت. توجیه ریاضی بیشتری توسط کلود-لوئیس ناویر و جورج گابریل استوکس در معادلات ناویر-استوکس ارائه شد و لایه‌های مرزی توسط لودویگ پرانتل، تئودور فون کارمان مورد بررسی قرار گرفتند، در حالی که دانشمندان مختلفی مانند آزبورن رینولدز، آندری کولموگوروف و جئوفری اینگرام تیلور درک ویسکوزیته و آشفتگی سیال را پیشرفت دادند.
شاخه‌های اصلی
[ویرایش]استاتیک سیالات
[ویرایش]
استاتیک سیالات یا هیدرواستاتیک، شاخه‌ای از مکانیک سیالات است که سیالات را در حالت سکون مطالعه می‌کند. این مطالعه شامل شرایطی است که مایعات ساکن در تعادل پایدار هستند؛ و با دینامیک سیالات، که مطالعه سیالاتِ در حال حرکت است، در تضاد قرار دارد. هیدرواستاتیک توضیحات فیزیکی بسیاری از پدیده‌های زندگی روزمره را ارائه می‌دهد، از جمله اینکه چرا فشار جو با افزایش ارتفاع تغییر می‌کند، چرا چوب و روغن روی آب شناور می‌شوند و چرا سطح آب با وجود شکل ظرف‌های مختلف همیشه مسطح است. علم هیدرواستاتیک برای علم هیدرولیک اساسی است. همچنین به برخی از جنبه‌های ژئوفیزیک و اخترفیزیک (به عنوان مثال، در درک زمین‌ساخت صفحه‌ای و ناهنجاری‌ها در میدان جاذبه زمین)، هواشناسی، پزشکی (در زمینه فشار خون) و بسیاری از زمینه‌های دیگر مربوط می‌شود.
دینامیک سیالات
[ویرایش]
دینامیک سیالات زیرشاخه مکانیک سیالات است که با جریان سیالات سرو کار دارد، به عبارتی دانش مایعات و گازهای در حال حرکت است.[۴] دینامیک سیالات ساختار منظمی را ارائه می‌دهد - که زیربنای این رشته‌های عملی است - که قوانین تجربی و نیمه تجربی حاصل از اندازه‌گیری جریان را در بر می‌گیرد و برای حل مشکلات عملی مورد استفاده قرار می‌گیرد. راه حل مسئله‌های دینامیک سیالات معمولاً شامل محاسبه خصوصیات مختلف سیال مانند سرعت، فشار، چگالی و دما به عنوان توابعی از فضا و زمان است. این شاخه خود چندین زیرشاخه دارد، از جمله آیرودینامیک[۵][۶][۷][۸] (مطالعه هوا و سایر گازهای در حال حرکت) و هیدرودینامیک (مطالعه مایعات در حال حرکت).[۹][۱۰] دینامیک سیالات طیف وسیعی از کاربردها را شامل می‌شود، از جمله محاسبه نیروها و حرکات هواپیماها، تعیین نرخ دبی جرمی نفت عبوری از درون خطوط لوله، پیش‌بینی الگوهای در حال تکامل هوا، درک سحابی‌ها در فضای بین ستاره‌ای و مدل‌سازی انفجارها. برخی از اصول دینامیک سیالات در مهندسی ترافیک و دینامیک جمعیت‌ها استفاده می‌شود.
معادلات حاکم
[ویرایش]معادله‌های اساسی حاکم بر مکانیک سیالات، معادلهٔ پایستگی جرم (پیوستگی) و معادله پایستگی تکانه (یا همان معادلات ناویر ـ استوکس) می‌باشند.
حل معادلات مکانیک سیالات
[ویرایش]با وجود ابداع معادلات حاکم بر دینامیک سیالات که تاریخچهٔ آن به بیش از ۱۵۰ سال می‌رسد، غیر از چند مورد خاص (همانند جریان بر روی صفحه تخت و جریان درون لوله‌ها در حالت آرام) حل تحلیلی برای این معادلات یافت نشده‌است. به جز چند حالت خاص اساسی مکانیک سیالات، بقیهٔ حل‌ها به صورت تجربی استخراج و استفاده می‌شود.
روش دیگر برای حل معادلات استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی می‌باشد.
جستارهای وابسته
[ویرایش]منابع
[ویرایش]- ↑ ۱٫۰ ۱٫۱ Frank M. White (۲۰۱۱). Fluid Mechanics (ویراست ۷). شابک ۰-۰۷-۳۵۲۹۳۴-۶.
- ↑ Tu, Jiyuan; Yeoh, Guan Heng; Liu, Chaoqun (Nov 21, 2012). Computational Fluid Dynamics: A Practical Approach. ISBN 978-0-08-098243-4.
- ↑ Mariam Rozhanskaya and I. S. Levinova (1996), "Statics", p. 642,
- ↑ Batchelor, C. K. , & Batchelor, G. K. (2000). An introduction to fluid dynamics. Cambridge University Press.
- ↑ Bertin, J. J. , & Smith, M. L. (1998). Aerodynamics for engineers (Vol. 5). Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall.
- ↑ Anderson Jr, J. D. (2010). Fundamentals of aerodynamics. Tata McGraw-Hill Education.
- ↑ Houghton, E. L. , & Carpenter, P. W. (2003). Aerodynamics for engineering students. Elsevier.
- ↑ Milne-Thomson, L. M. (1973). Theoretical aerodynamics. Courier Corporation.
- ↑ Milne-Thomson, L. M. (1996). Theoretical hydrodynamics. Courier Corporation.
- ↑ Birkhoff, G. (2015). Hydrodynamics. Princeton University Press.
| حرارت و سیالات |  | |
|---|---|---|
| جامدات | ||
| دینامیک و ارتعاشات | ||
| علوم وابسته | ||
| مرتبط | ||
[[رده:مهندسی مکانیک|
• درگاه:مهندسی مکانیک]] | ||
موضوعات مهندسی شیمی | ||
|---|---|---|
| تاریخچه |  | |
| مفهوم ها | ||
| عملیات واحد | ||
| فرایند واحد | ||
| شاخه‌ها | ||
| سایر | ||
