อุทกพลศาสตร์: คืออะไร แนวคิด สูตร

ก อุทกพลศาสตร์ เป็นสาขาวิชาฟิสิกส์โดยเฉพาะกลศาสตร์คลาสสิกซึ่งประกอบด้วย ของเหลว อุดมคติแบบไดนามิก อุดมคติที่กำลังเคลื่อนไหว ในนั้นเราจะศึกษาอัตราการไหลของมวล อัตราการไหลของของเหลวตามปริมาตร สมการความต่อเนื่อง และหลักการของเบอร์นูลลีเป็นหลัก

อ่านด้วย: อากาศพลศาสตร์ - สาขาวิชาฟิสิกส์ที่ศึกษาปฏิสัมพันธ์ของก๊าซกับอากาศ

สรุปเรื่องอุทกพลศาสตร์

• อุทกพลศาสตร์เป็นสาขาวิชากลศาสตร์คลาสสิกที่ศึกษาของเหลวในอุดมคติในการเคลื่อนที่
• แนวคิดหลักคือ การไหลของมวล การไหลเชิงปริมาตร สมการความต่อเนื่อง และหลักการของเบอร์นูลลี
• จากอัตราการไหลตามปริมาตร เราทราบปริมาณปริมาตรของของไหลที่ไหลผ่านส่วนตรงในช่วงเวลาหนึ่ง
• จากอัตราการไหลของมวล เราทราบปริมาณมวลของของไหลที่ไหลผ่านส่วนตรงในช่วงเวลาหนึ่ง
• จากสมการความต่อเนื่อง เราจะสังเกตอิทธิพลของพื้นที่หน้าตัดที่มีต่อความเร็วการไหลของของไหลในอุดมคติ
• ตามหลักการของเบอร์นูลลี เราสังเกตความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วและความดันของของไหลในอุดมคติ
• อุทกพลศาสตร์ถูกนำมาใช้ในการก่อสร้างเครื่องบิน รถยนต์ บ้าน อาคาร หมวก ก๊อกน้ำ ระบบประปา เครื่องพ่นไอ ท่อ Pitot และท่อ Venturi
• ในขณะที่อุทกพลศาสตร์เป็นสาขาวิชาฟิสิกส์ที่ศึกษาของเหลวในอุดมคติในการเคลื่อนที่ แต่อุทกสถิตเป็นสาขาวิชาฟิสิกส์ที่ตรวจสอบของเหลวสถิต

อุทกพลศาสตร์คืออะไร?

อุทกพลศาสตร์ เป็นพื้นที่ ของฟิสิกส์โดยเฉพาะ ของกลศาสตร์คลาสสิกซึ่งศึกษาของเหลวในอุดมคติ (ของเหลวและก๊าซ) ที่กำลังเคลื่อนที่. ของไหลในอุดมคติคือของเหลวที่มี: การไหลแบบราบเรียบ ซึ่งความเข้ม ทิศทาง และทิศทางของความเร็วที่จุดคงที่ไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป การไหลที่ไม่สามารถอัดตัวได้ซึ่งมีมวลจำเพาะคงที่ การไหลแบบไม่มีความหนืด มีความต้านทานการไหลต่ำ และการไหลแบบไม่มีการหมุน ไม่ใช่การหมุนรอบแกนที่ตัดผ่านจุดศูนย์กลางมวล

แนวคิดอุทกพลศาสตร์

แนวคิดหลักที่ศึกษาในอุทกพลศาสตร์ ได้แก่ การไหลของมวล การไหลเชิงปริมาตร สมการความต่อเนื่อง และหลักการของเบอร์นูลลี:

• ปริมาตรการไหล: คือปริมาณทางกายภาพที่สามารถกำหนดเป็นปริมาณปริมาตรของของไหลที่ตัดผ่านส่วนตรงในช่วงเวลาหนึ่ง มีหน่วยวัดเป็นลูกบาศก์เมตรต่อวินาที [ม³/ส] .
• การไหลของมวล: คือปริมาณทางกายภาพที่สามารถกำหนดเป็นปริมาณมวลของของไหลที่ตัดผ่านส่วนตรงในช่วงเวลาหนึ่ง มันวัดกันที่ [กิโลกรัม/ส] .
• สมการความต่อเนื่อง: เกี่ยวข้องกับความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วและพื้นที่หน้าตัด ซึ่งความเร็วการไหลของของไหลในอุดมคติจะเพิ่มขึ้นเมื่อพื้นที่หน้าตัดที่ของเหลวไหลผ่านลดลง สมการนี้มีตัวอย่างด้วยภาพด้านล่าง:

การเป็นตัวแทนของสมการความต่อเนื่อง

• หลักการของเบอร์นูลลี: เกี่ยวข้องกับความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วและความดันของของไหลในอุดมคติ ซึ่งหากความเร็วของของไหลกลายเป็น ใหญ่ขึ้นเมื่อไหลผ่านเส้นการไหล ความดันของของไหลจะลดลงและ ในทางกลับกัน หลักการนี้มีตัวอย่างจากภาพด้านล่าง:

การนำเสนอหลักการของเบอร์นูลลี

สูตรอุทกพลศาสตร์

→ สูตรการไหลเชิงปริมาตร

\(R_v=A\cdot v\)

• ร_{โวลต์} ➔ ปริมาตรของของไหล วัดเป็นหน่วย [ม³/วิ] .
• ก → พื้นที่หน้าตัดการไหล วัดเป็น ตารางเมตร [ม²].
• โวลต์ → ความเร็วเฉลี่ยของส่วนวัดเป็นเมตรต่อวินาที [นางสาว].

→ สูตรการไหลของมวล

เมื่อความหนาแน่นของของไหลเท่ากันทุกจุด เราจะหาอัตราการไหลของมวลได้:

\(R_m=\rho\cdot A\cdot v\)

• ร_ม → อัตราการไหลของมวลของของไหล วัดเป็นหน่วย [กิโลกรัม/วิ] .
• ρ → ความหนาแน่นของของไหล วัดเป็น [กิโลกรัม/ม³].
• ก → พื้นที่หน้าตัดการไหล วัดเป็น ตารางเมตร [ม²].
• โวลต์ → ความเร็วเฉลี่ยของส่วนวัดเป็นเมตรต่อวินาที [นางสาว].

→ สมการความต่อเนื่อง

\(A_1\cdot v_1=A_2\cdot v_2\)

• ก₁ → พื้นที่การไหลส่วนที่ 1 วัดเป็นตารางเมตร [ม²].
• โวลต์₁ → ความเร็วการไหลในพื้นที่ 1 วัดเป็นเมตรต่อวินาที [นางสาว].
• ก₂ → พื้นที่การไหลส่วนที่ 2 วัดเป็นตารางเมตร [ม²].
• โวลต์₂ → ความเร็วการไหลในพื้นที่ 2 วัดเป็นเมตรต่อวินาที [นางสาว].

→ สมการเบอร์นูลลี

\(p_1+\frac{\rho\cdot v_1^2}{2}+\rho\cdot g\cdot y_1=p_2+\frac{\rho\cdot v_2^2}{2}+\rho\cdot g\cdot ย_2\)

• ป₁ → ความดันของเหลวที่จุดที่ 1 วัดเป็นปาสคาล [พลั่ว].
• ป₂ → ความดันของเหลวที่จุดที่ 2 วัดเป็นปาสคาล [พลั่ว].
• โวลต์₁ → ความเร็วของของไหลที่จุดที่ 1 วัดเป็นเมตรต่อวินาที [นางสาว].
• โวลต์₂ → ความเร็วของของไหลที่จุดที่ 2 วัดเป็นเมตรต่อวินาที [นางสาว].
• ย₁ → ความสูงของของเหลวที่จุดที่ 1 วัดเป็นเมตร [ม].
• ย₂ → ความสูงของของเหลวที่จุดที่ 2 วัดเป็นเมตร [ม].
• ρ → ความหนาแน่นของของไหล วัดเป็น [กิโลกรัม/ม³ ].
• ก → ความเร่งของแรงโน้มถ่วง วัดได้โดยประมาณ 9,8 ม/วิ² .

อุทกพลศาสตร์ในชีวิตประจำวัน

แนวคิดที่ศึกษาในอุทกพลศาสตร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายใน สร้างเครื่องบิน รถยนต์ บ้าน อาคาร หมวก และอื่นๆ.

การศึกษากระแสช่วยให้เราสามารถทำการ วัดการไหลของน้ำในบ้านและโรงบำบัดอุตสาหกรรมนอกเหนือจากการประเมินปริมาณก๊าซอุตสาหกรรมและเชื้อเพลิงแล้ว

การศึกษาหลักการของแบร์นูลลีได้ ใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านฟิสิกส์และวิศวกรรมส่วนใหญ่ในการสร้างไอระเหยและท่อ Pitot เพื่อวัดความเร็วการไหลของอากาศ และในการสร้างท่อ Venturi เพื่อวัดความเร็วการไหลของของเหลวภายในท่อ

จากการศึกษาสมการความต่อเนื่องก็เป็นไปได้ที่จะมี ทำความเข้าใจหลักการทำงานของ faucets และทำไมเมื่อคุณวางนิ้วลงในช่องจ่ายน้ำของสายยาง ความเร็วของน้ำจะเพิ่มขึ้น

ความแตกต่างระหว่างอุทกพลศาสตร์และอุทกสถิต

อุทกพลศาสตร์และอุทกสถิตเป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ที่รับผิดชอบในการศึกษาของไหล:

• อุทกพลศาสตร์: สาขาวิชาฟิสิกส์ที่ศึกษาเกี่ยวกับของไหลแบบไดนามิกในการเคลื่อนที่ ในนั้น เราศึกษาแนวคิดเรื่องการไหลเชิงปริมาตร การไหลของมวล สมการความต่อเนื่อง และหลักการของเบอร์นูลลี
• อุทกสถิต: สาขาฟิสิกส์ที่ศึกษาของไหลคงที่ขณะนิ่ง ในนั้น เราศึกษาแนวคิดเกี่ยวกับมวลจำเพาะ ความดัน หลักการของสตีวิน และการประยุกต์ของมัน และทฤษฎีบทของอาร์คิมิดีส

ดูด้วย:จลนศาสตร์ - สาขาวิชาฟิสิกส์ที่ศึกษาการเคลื่อนไหวของร่างกายโดยไม่คำนึงถึงต้นกำเนิดของการเคลื่อนไหว

แก้แบบฝึกหัดเรื่องอุทกพลศาสตร์

คำถามที่ 1

(ศัตรู) การติดตั้งเครื่องปรับอากาศแนะนำให้วางไว้ที่ส่วนบนของผนังห้องเนื่องจาก ของเหลวส่วนใหญ่ (ของเหลวและก๊าซ) เมื่อถูกความร้อน จะมีการขยายตัว มีความหนาแน่นลดลง และเกิดการกระจัด จากน้อยไปมาก. ในทางกลับกัน เมื่อเย็นลง พวกมันก็จะหนาแน่นขึ้นและเคลื่อนตัวลงด้านล่าง

ข้อเสนอแนะที่นำเสนอในข้อความจะช่วยลดการใช้พลังงานให้เหลือน้อยที่สุดเพราะว่า

ก) ลดความชื้นของอากาศภายในห้อง

B) เพิ่มอัตราการนำความร้อนออกจากห้อง

C) ทำให้น้ำระบายออกจากห้องได้ง่ายขึ้น

D) อำนวยความสะดวกในการไหลเวียนของกระแสลมเย็นและร้อนภายในห้อง

E) ลดอัตราการปล่อยความร้อนจากอุปกรณ์เข้าสู่ห้อง

ปณิธาน:

ทางเลือก D

ข้อเสนอแนะที่นำเสนอในข้อความช่วยลดการใช้พลังงานไฟฟ้า เนื่องจากอากาศเย็นลอยขึ้นและลมร้อนลดต่ำลง ช่วยให้กระแสลมเย็นและร้อนไหลเวียนภายในห้องสะดวกยิ่งขึ้น

คำถามที่ 2

(Unichristus) ถังน้ำที่มีความจุ 8000 ลิตร เต็มไปด้วยน้ำเต็มถัง น้ำทั้งหมดจากถังเก็บน้ำนี้จะถูกสูบเข้าถังเก็บน้ำที่มีความจุ 8,000 ลิตร ที่อัตราการไหลคงที่ 200 ลิตรต่อนาที

เวลารวมที่ต้องใช้ในการนำน้ำทั้งหมดออกจากถังเก็บน้ำไปยังรถบรรทุกน้ำมันคือ

ก) 50 นาที

ข) 40 นาที

ค) 30 นาที

ง) 20 นาที

จ) 10 นาที

ปณิธาน:

ทางเลือก B

เราจะคำนวณเวลาทั้งหมดที่ต้องการโดยใช้สูตรการไหลตามปริมาตร:

\(R_v=A\cdot v\)

\(R_v=A\cdot\frac{x}{t}\)

\(R_v=\frac{V}{t}\)

\(200=\frac{8000}{t}\)

\(t=\frac{8000}{200}\)

\(t=40\ นาที\)

แหล่งที่มา

นุสเซนซเวก, แฮร์ช มอยเซส. หลักสูตรฟิสิกส์ขั้นพื้นฐาน: ของไหล การสั่น และคลื่น ความร้อน (เล่ม 1) 2). 5 เอ็ด เซาเปาโล: Editora Blucher, 2015.

ฮัลลิเดย์, เดวิด; เรสนิค, โรเบิร์ต; วอล์คเกอร์, เจิล. พื้นฐานของฟิสิกส์: ความโน้มถ่วง คลื่น และอุณหพลศาสตร์ (เล่ม 1) 2) 8. เอ็ด รีโอเดจาเนโร, RJ: LTC, 2009.