A hydrodynamica is een gebied van de natuurkunde, met name de klassieke mechanica, dat omvat de vloeistoffen dynamische idealen, idealen die in beweging zijn. Daarin bestuderen we vooral het massadebiet, het volumetrische debiet van vloeistoffen, de continuïteitsvergelijking en het principe van Bernoulli.
Lees ook: Aerodynamica - de tak van de natuurkunde die de interactie van gassen met lucht bestudeert
Samenvatting over hydrodynamica
- Hydrodynamica is een gebied van de klassieke mechanica dat ideale vloeistoffen in beweging bestudeert.
- De belangrijkste concepten zijn: massastroom, volumetrische stroming, continuïteitsvergelijking en het principe van Bernoulli.
- Op basis van het volumetrische debiet weten we de hoeveelheid volume van een vloeistof die gedurende een tijdsinterval door een recht stuk stroomt.
- Op basis van de massastroom weten we de hoeveelheid massa van een vloeistof die gedurende een bepaalde periode door een recht stuk stroomt.
- Op basis van de continuïteitsvergelijking observeren we de invloed van het dwarsdoorsnedeoppervlak op de stroomsnelheid van een ideale vloeistof.
- Gebaseerd op het principe van Bernoulli observeren we de relatie tussen de snelheid en de druk van een ideale vloeistof.
- Hydrodynamica wordt toegepast bij de constructie van vliegtuigen, auto's, huizen, gebouwen, helmen, kranen, loodgieterswerk, verdampers, pitotbuizen en venturibuizen.
- Terwijl hydrodynamica een gebied van de natuurkunde is dat ideale vloeistoffen in beweging bestudeert, is hydrostatica een gebied van de natuurkunde dat statische vloeistoffen onderzoekt.
Wat is hydrodynamica?
De hydrodynamica is een gebied van natuurkunde, specifiek van de klassieke mechanica, dat ideale vloeistoffen (vloeistoffen en gassen) in beweging bestudeert. Een ideale vloeistof is een vloeistof met: laminaire stroming, waarbij de intensiteit, richting en richting van de snelheid op een vast punt in de loop van de tijd niet veranderen; onsamendrukbare stroming, waarbij de soortelijke massa constant is; niet-viskeuze stroming, met lage stromingsweerstand; en niet-roterende stroming, die niet rond een as draait die het massamiddelpunt kruist.
Hydrodynamische concepten
De belangrijkste concepten die in de hydrodynamica worden bestudeerd zijn massastroom, volumetrische stroming, continuïteitsvergelijking en het principe van Bernoulli:
- Volumetrische stroom: is een fysieke grootheid die kan worden gedefinieerd als de hoeveelheid volume van een vloeistof die gedurende een tijdsinterval een recht stuk doorkruist. Het wordt gemeten in kubieke meter per seconde [M3/S] .
- Massastroom: is een fysieke grootheid die kan worden gedefinieerd als de hoeveelheid massa van een vloeistof die gedurende een tijdsinterval een recht stuk doorkruist. Er wordt gemeten [kg/S] .
- Continuïteitsvergelijking: behandelt de relatie tussen snelheid en het dwarsdoorsnedeoppervlak, waarbij de stroomsnelheid van een ideale vloeistof toeneemt naarmate het dwarsdoorsnedeoppervlak waardoor het stroomt afneemt. Deze vergelijking wordt geïllustreerd door de onderstaande afbeelding:
- Bernoulli's principe: behandelt de relatie tussen de snelheid en de druk van een ideale vloeistof, waarbij de snelheid van een vloeistof wordt groter naarmate het door een stroomleiding stroomt, dan wordt de druk van de vloeistof lager en vice versa. Dit principe wordt geïllustreerd door de onderstaande afbeelding:
Hydrodynamische formules
→ Volumestroomformule
\(R_v=A\cdot v\)
- Rv → volumetrische stroom van de vloeistof, gemeten in [M3/S] .
- A → stroomsectieoppervlak, gemeten in vierkante meters [M2].
- v → gemiddelde snelheid van het traject, gemeten in meter per seconde [Mevr].
→ Massastroomformule
Wanneer de dichtheid van de vloeistof op alle punten hetzelfde is, kunnen we de massastroomsnelheid vinden:
\(R_m=\rho\cdot A\cdot v\)
- RM → massastroomsnelheid van de vloeistof, gemeten in [kg/S] .
- ρ → vloeistofdichtheid, gemeten in [kg/M3].
- A → stroomsectieoppervlak, gemeten in vierkante meters [M2].
- v → gemiddelde snelheid van het traject, gemeten in meter per seconde [Mevr].
→ Continuïteitsvergelijking
\(A_1\cdot v_1=A_2\cdot v_2\)
- A1 → oppervlakte van stroomvak 1, gemeten in vierkante meters [M2].
- v1 → stroomsnelheid in gebied 1, gemeten in meter per seconde [Mevr].
- A2 → oppervlakte van stroomsectie 2, gemeten in vierkante meters [M2].
- v2 → stroomsnelheid in gebied 2, gemeten in meter per seconde [Mevr].
→ Bernoulli-vergelijking
\(p_1+\frac{\rho\cdot v_1^2}{2}+\rho\cdot g\cdot y_1=p_2+\frac{\rho\cdot v_2^2}{2}+\rho\cdot g\cdot y_2\)
- P1 → vloeistofdruk op punt 1, gemeten in Pascal [Schep].
- P2 → vloeistofdruk op punt 2, gemeten in Pascal [Schep].
- v1 → vloeistofsnelheid op punt 1, gemeten in meter per seconde [Mevr].
- v2 → vloeistofsnelheid op punt 2, gemeten in meter per seconde [Mevr].
- j1 → vloeistofhoogte op punt 1, gemeten in meters [M].
- j2 → vloeistofhoogte op punt 2, gemeten in meters [M].
- ρ → vloeistofdichtheid, gemeten in [kg/M3 ].
- G → versnelling van de zwaartekracht, meet ongeveer 9,8 M/S2 .
Hydrodynamica in het dagelijks leven
De concepten die in de hydrodynamica worden bestudeerd, worden veel gebruikt in bouw vliegtuigen, auto's, huizen, gebouwen, helmen en meer.
De studie van de stroming stelt ons in staat om de het meten van de waterstroom in huizen en industriële zuiveringsinstallaties, naast beoordelingen van de hoeveelheden industriële gassen en brandstoffen.
De studie van het principe van Bernoulli heeft dat wel gedaan Breed gebruik in natuurkunde en techniek, voornamelijk bij het maken van vaporizers en pitotbuizen, om de snelheid van de luchtstroom te meten; en bij het maken van venturibuizen, om de stroomsnelheid van een vloeistof in een pijp te meten.
Op basis van de studie van de continuïteitsvergelijking is dit mogelijk het werkingsprincipe van kranen begrijpen en waarom, als je je vinger in de wateruitlaat van een slang steekt, de snelheid van het water toeneemt.
Verschillen tussen hydrodynamica en hydrostatica
Hydrodynamica en hydrostatica zijn gebieden van de natuurkunde die verantwoordelijk zijn voor het bestuderen van vloeistoffen:
- Hydrodynamica: gebied van de natuurkunde dat dynamische vloeistoffen in beweging bestudeert. Daarin bestuderen we de concepten volumetrische stroming, massastroom, continuïteitsvergelijking en het principe van Bernoulli.
- Hydrostatisch: gebied van de natuurkunde dat statische vloeistoffen in rust bestudeert. Daarin bestuderen we de concepten van soortelijke massa, druk, het principe van Stevin en de toepassingen ervan, en de stelling van Archimedes.
Zie ook:Kinematica – het gebied van de natuurkunde dat de beweging van lichamen bestudeert zonder rekening te houden met de oorsprong van de beweging
Opgeloste oefeningen over hydrodynamica
Vraag 1
(Enem) Om een airconditioningunit te installeren, wordt aangeraden deze op het bovenste deel van de muur van de kamer te plaatsen, aangezien de De meeste vloeistoffen (vloeistoffen en gassen) ondergaan bij verhitting expansie, waardoor hun dichtheid afneemt en ze worden verplaatst oplopend. Wanneer ze op hun beurt worden afgekoeld, worden ze dichter en ondergaan ze een neerwaartse verplaatsing.
De suggestie in de tekst minimaliseert het energieverbruik, omdat
A) vermindert de luchtvochtigheid in de kamer.
B) verhoogt de snelheid van thermische geleiding uit de kamer.
C) zorgt ervoor dat het water gemakkelijker uit de kamer kan weglopen.
D) vergemakkelijkt de circulatie van koude en warme luchtstromen in de kamer.
E) vermindert de warmteafgifte van het apparaat naar de kamer.
Oplossing:
Alternatief D
De in de tekst gepresenteerde suggestie vermindert het elektriciteitsverbruik, omdat koude lucht stijgt en warme lucht daalt, waardoor de circulatie van koude en warme luchtstromen in de kamer wordt vergemakkelijkt.
vraag 2
(Unichristus) Een stortbak met een inhoud van 8000 liter is volledig gevuld met water. Al het water uit dit reservoir wordt in een watertankwagen met een capaciteit van 8000 liter gepompt met een constant debiet van 200 liter/minuut.
De totale tijd die nodig is om al het water uit het reservoir naar de tankwagen te verwijderen, bedraagt
A) 50 minuten.
B) 40 minuten.
C) 30 minuten.
D) 20 minuten.
E) 10 minuten.
Oplossing:
Alternatief B
We berekenen de totale benodigde tijd met behulp van de volumetrische formule:
\(R_v=A\cdot v\)
\(R_v=A\cdot\frac{x}{t}\)
\(R_v=\frac{V}{t}\)
\(200=\frac{8000}{t}\)
\(t=\frac{8000}{200}\)
\(t=40\min\)
Bronnen
NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Basiscursus natuurkunde: Vloeistoffen, trillingen en golven, hitte (vol. 2). 5 uitg. São Paulo: Editora Blucher, 2015.
HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Grondbeginselen van de natuurkunde: Zwaartekracht, golven en thermodynamica (vol. 2) 8. red. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2009.
