UN idrodinamica è un'area della fisica, in particolare della meccanica classica, che comprende i fluidi ideali dinamici, quelli che si muovono. In esso si studia principalmente la portata massica, la portata volumetrica dei fluidi, l'equazione di continuità e il principio di Bernoulli.
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Riassunto sull'idrodinamica
- L'idrodinamica è un'area della meccanica classica che studia i fluidi ideali in movimento.
- I suoi concetti principali sono: flusso di massa, flusso volumetrico, equazione di continuità e principio di Bernoulli.
- In base alla portata volumetrica conosciamo la quantità di volume di un fluido che attraversa un tratto rettilineo in un intervallo di tempo.
- In base alla portata massica, conosciamo la quantità di massa di un fluido che attraversa un tratto rettilineo in un periodo di tempo.
- Basandosi sull'equazione di continuità, osserviamo l'influenza dell'area della sezione trasversale sulla velocità del flusso di un fluido ideale.
- In base al principio di Bernoulli osserviamo la relazione tra la velocità e la pressione di un fluido ideale.
- L'idrodinamica viene applicata nella costruzione di aeroplani, automobili, case, edifici, caschi, rubinetti, impianti idraulici, vaporizzatori, tubi Pitot e tubi Venturi.
- Mentre l'idrodinamica è un'area della fisica che studia i fluidi ideali in movimento, l'idrostatica è un'area della fisica che studia i fluidi statici.
Cos'è l'idrodinamica?
L'idrodinamica è un'area di Fisica, nello specifico della meccanica classica, che studia i fluidi ideali (liquidi e gas) in movimento. Un fluido ideale è quello che ha: flusso laminare, in cui l'intensità, la direzione e il senso della sua velocità in un punto fisso non cambiano nel tempo; flusso incomprimibile, in cui la sua massa specifica è costante; flusso non viscoso, che presenta una bassa resistenza al flusso; e flusso irrotazionale, che non ruota attorno ad un asse che attraversa il suo centro di massa.
Concetti di idrodinamica
I principali concetti studiati in idrodinamica sono il flusso di massa, il flusso volumetrico, l'equazione di continuità e il principio di Bernoulli:
- Portata volumetrica: è una grandezza fisica che può essere definita come la quantità di volume di un fluido che attraversa un tratto rettilineo in un intervallo di tempo. Si misura in metri cubi al secondo [M3/S] .
- Flusso di massa: è una grandezza fisica che può essere definita come la quantità di massa di un fluido che attraversa un tratto rettilineo in un intervallo di tempo. È misurato [kg/S] .
- Equazione di continuità: riguarda la relazione tra velocità e area della sezione trasversale, in cui la velocità del flusso di un fluido ideale aumenta al diminuire dell'area della sezione trasversale attraverso la quale scorre. Questa equazione è esemplificata dall'immagine seguente:
- Principio di Bernoulli: si occupa della relazione tra la velocità e la pressione di un fluido ideale, in cui se la velocità di un fluido diventa più grande mentre scorre attraverso una linea di flusso, quindi la pressione del fluido diventa più bassa e viceversa. Questo principio è esemplificato dall’immagine seguente:
Formule idrodinamiche
→ Formula del flusso volumetrico
\(R_v=A\cpunto v\)
- Rv → portata volumetrica del fluido, misurata in [M3/S] .
- UN → area della sezione di flusso, misurata in metri quadrati [M2].
- v → velocità media della tratta, misurata in metri al secondo [SM].
→ Formula del flusso di massa
Quando la densità del fluido è la stessa in tutti i punti, possiamo trovare la portata massica:
\(R_m=\rho\cdot A\cdot v\)
- RM → portata massica del fluido, misurata in [kg/S] .
- ρ → densità del fluido, misurata in [kg/M3].
- UN → area della sezione di flusso, misurata in metri quadrati [M2].
- v → velocità media della tratta, misurata in metri al secondo [SM].
→ Equazione di continuità
\(A_1\cdot v_1=A_2\cdot v_2\)
- UN1 → area della sezione di flusso 1, misurata in metri quadrati [M2].
- v1 → velocità del flusso nell'area 1, misurata in metri al secondo [SM].
- UN2 → area della sezione di flusso 2, misurata in metri quadrati [M2].
- v2 → velocità del flusso nell'area 2, misurata in metri al secondo [SM].
→ Equazione di Bernoulli
\(p_1+\frac{\rho\cdot v_1^2}{2}+\rho\cdot g\cdot y_1=p_2+\frac{\rho\cdot v_2^2}{2}+\rho\cdot g\cdot sì_2\)
- P1 → pressione del fluido al punto 1, misurata in Pascal [Pala].
- P2 → pressione del fluido al punto 2, misurata in Pascal [Pala].
- v1 → velocità del fluido nel punto 1, misurata in metri al secondo [SM].
- v2 → velocità del fluido al punto 2, misurata in metri al secondo [SM].
- sì1 → altezza del fluido al punto 1, misurata in metri [M].
- sì2 → altezza del fluido al punto 2, misurata in metri [M].
- ρ → densità del fluido, misurata in [kg/M3 ].
- G → accelerazione di gravità, misura approssimativa 9,8 M/S2 .
L'idrodinamica nella vita quotidiana
I concetti studiati in idrodinamica sono ampiamente utilizzati in costruire aerei, automobili, case, edifici, caschi e altro ancora.
Lo studio del flusso ci permette di realizzare il misurazione del flusso d'acqua nelle abitazioni e negli impianti di trattamento industriali, oltre alle valutazioni sulle quantità di gas industriali e combustibili.
Lo studio del principio di Bernoulli ha Ampio uso in fisica e ingegneria, principalmente nella realizzazione di vaporizzatori e tubi di Pitot, per misurare la velocità del flusso d'aria; e nella realizzazione dei tubi Venturi, per misurare la velocità del flusso di un liquido all'interno di un tubo.
Basandosi sullo studio dell'equazione di continuità, è possibile avere comprendere il principio di funzionamento dei rubinetti e perché, quando si infila il dito nell'uscita dell'acqua di un tubo, la velocità dell'acqua aumenta.
Differenze tra idrodinamica e idrostatica
L'idrodinamica e l'idrostatica sono aree della fisica responsabili dello studio dei fluidi:
- Idrodinamica: area della Fisica che studia i fluidi dinamici in movimento. In esso studiamo i concetti di flusso volumetrico, flusso di massa, equazione di continuità e principio di Bernoulli.
- Idrostatico: area della Fisica che studia i fluidi statici, in riposo. In esso si studiano i concetti di massa specifica, pressione, principio di Stevino e sue applicazioni, teorema di Archimede.
Vedi anche:Cinematica: l'area della fisica che studia il movimento dei corpi senza tener conto dell'origine del movimento
Esercizi risolti sull'idrodinamica
Domanda 1
(Enem) Per installare un condizionatore si consiglia di posizionarlo nella parte alta della parete della stanza, in quanto La maggior parte dei fluidi (liquidi e gas), quando riscaldati, subiscono un'espansione, riducendo la loro densità e subendo uno spostamento ascendente. A loro volta, quando si raffreddano, diventano più densi e subiscono uno spostamento verso il basso.
Il suggerimento presentato nel testo minimizza il consumo energetico, perché
A) riduce l'umidità dell'aria all'interno della stanza.
B) aumenta la velocità di conduzione termica all'esterno della stanza.
C) facilita lo scarico dell'acqua fuori dalla stanza.
D) facilita la circolazione delle correnti d'aria fredda e calda all'interno dell'ambiente.
E) riduce la velocità di emissione di calore dal dispositivo nella stanza.
Risoluzione:
Alternativa D
Il suggerimento presentato nel testo riduce il consumo di energia elettrica, poiché l'aria fredda sale e l'aria calda scende, facilitando la circolazione delle correnti d'aria fredda e calda all'interno dell'ambiente.
Domanda 2
(Unichristus) Una cisterna della capacità di 8000 litri è completamente riempita d'acqua. Tutta l'acqua di questa cisterna verrà pompata in una cisterna con una capacità di 8000 litri ad una portata costante di 200 litri/minuto.
Il tempo totale necessario per rimuovere tutta l'acqua dalla cisterna all'autocisterna sarà
R) 50 minuti.
B) 40 minuti.
C) 30 minuti.
D) 20 minuti.
D) 10 minuti.
Risoluzione:
Alternativa B
Calcoleremo il tempo totale richiesto utilizzando la formula del flusso volumetrico:
\(R_v=A\cpunto v\)
\(R_v=A\cdot\frac{x}{t}\)
\(R_v=\frac{V}{t}\)
\(200=\frac{8000}{t}\)
\(t=\frac{8000}{200}\)
\(t=40\min\)
Fonti
NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Corso di fisica di base: Fluidi, oscillazioni e onde, calore (vol. 2). 5 ed. San Paolo: Editora Blucher, 2015.
HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jarl. Fondamenti di fisica: Gravitazione, onde e termodinamica (vol. 2) 8. ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2009.