A hidrodinamika a fizika, különösen a klasszikus mechanika területe, amely magában foglalja a folyadékok dinamikus ideálok, azok, amelyek mozognak. Ebben elsősorban a tömegáramlási sebességet, a folyadékok térfogatáramát, a folytonossági egyenletet és a Bernoulli-elvet vizsgáljuk.
Olvasd el te is: Az aerodinamika – a fizika ága, amely a gázok és a levegő kölcsönhatását vizsgálja
Összefoglaló a hidrodinamikáról
- A hidrodinamika a klasszikus mechanika olyan területe, amely a mozgásban lévő ideális folyadékokat vizsgálja.
- Főbb fogalmai: tömegáram, térfogatáram, folytonossági egyenlet és Bernoulli-elv.
- A térfogatáram alapján tudjuk, hogy egy időintervallum alatt egy egyenes szakaszon mekkora térfogatú folyadék halad át.
- A tömegáramlási sebesség alapján tudjuk, hogy egy adott idő alatt egy egyenes szakaszon mekkora tömegű folyadék halad át.
- A folytonossági egyenlet alapján megfigyeljük a keresztmetszeti terület hatását az ideális folyadék áramlási sebességére.
- Bernoulli elve alapján egy ideális folyadék sebessége és nyomása közötti összefüggést figyeljük meg.
- A hidrodinamikát repülőgépek, autók, házak, épületek, sisakok, csapok, vízvezetékek, párologtatók, Pitot-csövek és Venturi-csövek építésénél alkalmazzák.
- Míg a hidrodinamika a fizika egy olyan területe, amely a mozgásban lévő ideális folyadékokat vizsgálja, a hidrosztatika a fizika olyan területe, amely a statikus folyadékokat vizsgálja.
Mi az a hidrodinamika?
A hidrodinamika egy terület a fizika, kimondottan a klasszikus mechanikából, amely a mozgásban lévő ideális folyadékokat (folyadékokat és gázokat) vizsgálja. Ideális folyadék az, amelyiknek van: lamináris áramlása, amelyben intenzitása, iránya és sebességének iránya egy fix pontban nem változik az időben; összenyomhatatlan áramlás, amelyben a fajlagos tömege állandó; nem viszkózus áramlás, alacsony áramlási ellenállással; és irrotációs áramlás, amely nem forog a tömegközéppontját keresztező tengely körül.
Hidrodinamikai fogalmak
A hidrodinamikában vizsgált fő fogalmak a tömegáram, a térfogatáram, a folytonossági egyenlet és a Bernoulli-elv:
- Térfogatáram: egy olyan fizikai mennyiség, amely egy adott idő alatt egy egyenes szakaszon áthaladó folyadék térfogataként határozható meg. Köbméter per másodpercben mérik [m3/s] .
- Tömegáram: olyan fizikai mennyiség, amely egy adott idő alatt egy egyenes szakaszon áthaladó folyadék tömegeként határozható meg. Be van mérve [kg/s] .
- Folytonossági egyenlet: a sebesség és a keresztmetszeti terület kapcsolatával foglalkozik, amelyben az ideális folyadék áramlási sebessége növekszik, ahogy az áthaladó keresztmetszeti terület csökken. Ezt az egyenletet az alábbi kép szemlélteti:
- Bernoulli elve: egy ideális folyadék sebessége és nyomása közötti összefüggéssel foglalkozik, amelyben ha egy folyadék sebessége válik nagyobb, ahogy átfolyik egy áramlási vezetéken, akkor a folyadék nyomása alacsonyabb lesz és oda-vissza. Ezt az elvet az alábbi kép szemlélteti:
Hidrodinamikai képletek
→ Térfogatáramlási képlet
\(R_v=A\cdot v\)
- Rv → a folyadék térfogatárama, mérve [m3/s] .
- A → áramlási szakasz területe, négyzetméterben mérve [m2].
- v → a szakasz átlagos sebessége, méter per másodpercben [Kisasszony].
→ Tömegáramlási képlet
Ha a folyadék sűrűsége minden ponton azonos, akkor megkapjuk a tömegáramlási sebességet:
\(R_m=\rho\cdot A\cdot v\)
- Rm → a folyadék tömegáramlási sebessége, mérve [kg/s] .
- ρ → folyadéksűrűség, mértékegységben [kg/m3].
- A → áramlási szakasz területe, négyzetméterben mérve [m2].
- v → a szakasz átlagos sebessége, méter per másodpercben [Kisasszony].
→ Folytonossági egyenlet
\(A_1\cdot v_1=A_2\cdot v_2\)
- A1 → az 1. áramlási szakasz területe, négyzetméterben mérve [m2].
- v1 → áramlási sebesség az 1. területen, méter per másodpercben mérve [Kisasszony].
- A2 → a 2. áramlási szakasz területe, négyzetméterben mérve [m2].
- v2 → áramlási sebesség a 2. területen, méter per másodpercben mérve [Kisasszony].
→ Bernoulli egyenlet
\(p_1+\frac{\rho\cdot v_1^2}{2}+\rho\cdot g\cdot y_1=p_2+\frac{\rho\cdot v_2^2}{2}+\rho\cdot g\cdot y_2\)
- P1 → folyadéknyomás az 1. pontban, Pascalban mérve [Lapát].
- P2 → folyadéknyomás a 2. pontban, Pascalban mérve [Lapát].
- v1 → folyadék sebessége az 1. pontban, méter per másodpercben mérve [Kisasszony].
- v2 → folyadék sebessége a 2. pontban, méter per másodpercben mérve [Kisasszony].
- y1 → folyadék magassága az 1. pontban, méterben mérve [m].
- y2 → folyadék magassága a 2. pontban, méterben mérve [m].
- ρ → folyadéksűrűség, mértékegységben [kg/m3 ].
- g → gravitációs gyorsulás, megközelítőleg méri 9,8 m/s2 .
Hidrodinamika a mindennapi életben
A hidrodinamikában tanulmányozott fogalmakat széles körben használják építeni repülőgépeket, autókat, házakat, épületeket, sisakokat és még sok mást.
Az áramlás tanulmányozása lehetővé teszi számunkra, hogy a vízáramlás mérése otthonokban és ipari tisztítóberendezésekben, az ipari gázok és üzemanyagok mennyiségének felmérése mellett.
A Bernoulli-elv tanulmányozása megvan Széles körben használják a fizikában és a mérnöki munkákban, főleg párologtatók és Pitot-csövek létrehozásában, a légáramlás sebességének mérésére; Venturi-csövek létrehozásánál pedig a csőben lévő folyadék áramlási sebességének mérésére.
A folytonossági egyenlet tanulmányozása alapján lehetséges a csaptelepek működési elvének megértése és miért növekszik meg a víz sebessége, ha az ujját egy tömlő vízkimenetébe dugja.
A hidrodinamika és a hidrosztatika közötti különbségek
A hidrodinamika és a hidrosztatika a fizika olyan területei, amelyek a folyadékok tanulmányozásáért felelősek:
- Hidrodinamika: a fizika területe, amely a mozgásban lévő dinamikus folyadékokat vizsgálja. Ebben a térfogatáram, a tömegáram, a folytonossági egyenlet és a Bernoulli-elv fogalmát tanulmányozzuk.
- Hidrosztatikus: a fizika olyan területe, amely statikus folyadékokat vizsgál nyugalomban. Ebben tanulmányozzuk a fajlagos tömeg, a nyomás fogalmát, a Stevin-elvet és alkalmazásait, valamint Arkhimédész-tételt.
Lásd még:Kinematika – a fizika területe, amely a testek mozgását vizsgálja anélkül, hogy figyelembe venné a mozgás eredetét
Hidrodinamikai gyakorlatokat oldott meg
1. kérdés
(Enem) Légkondicionáló egység felszereléséhez javasolt a szoba falának felső részére helyezni, mivel a A legtöbb folyadék (folyadékok és gázok) hevítéskor kitágul, sűrűsége csökken, és kiszorul. emelkedő. Ha viszont lehűtik, sűrűbbé válnak, és lefelé tolódnak el.
A szövegben bemutatott javaslat minimalizálja az energiafogyasztást, mert
A) csökkenti a levegő páratartalmát a helyiségben.
B) növeli a helyiségből való hővezetés sebességét.
C) megkönnyíti a víz kifolyását a helyiségből.
D) megkönnyíti a hideg és meleg levegőáramok keringését a helyiségben.
E) csökkenti a hőkibocsátást a készülékből a helyiségbe.
Felbontás:
Alternatíva D
A szövegben bemutatott javaslat csökkenti az elektromos energiafogyasztást, mivel a hideg levegő felemelkedik, a meleg levegő pedig leszáll, megkönnyítve a hideg és meleg levegőáramok keringését a helyiségben.
2. kérdés
(Unichristus) Egy 8000 literes ciszterna teljesen meg van töltve vízzel. Ebből a ciszternából az összes vizet egy 8000 literes víztartályba szivattyúzzák, állandó 200 liter/perc áramlási sebesség mellett.
A teljes víznek a ciszternából a tartálykocsiba való eltávolításához szükséges teljes idő ez lesz
A) 50 perc.
B) 40 perc.
C) 30 perc.
D) 20 perc.
E) 10 perc.
Felbontás:
B alternatíva
A teljes szükséges időt a térfogatáram képlettel számítjuk ki:
\(R_v=A\cdot v\)
\(R_v=A\cdot\frac{x}{t}\)
\(R_v=\frac{V}{t}\)
\(200=\frac{8000}{t}\)
\(t=\frac{8000}{200}\)
\(t=40\ perc\)
Források
NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Fizika alaptanfolyam: Folyadékok, oszcillációk és hullámok, hő (vol. 2). 5 ed. São Paulo: Blucher szerkesztő, 2015.
HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. A fizika alapjai: Gravitáció, hullámok és termodinamika (vol. 2) 8. szerk. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2009.