유체 역학 이해

유체 역학은 정지 상태와 운동 상태의 유체 거동(액체, 기체, 혈액 및 혈장)에 대한 광범위한 연구입니다. 오늘날 기계 및 화학 공학, 생물학 시스템 및 천체 물리학을 포함하는 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다. 유체 역학은 특히 유체가 생성하는 힘을 연구합니다.

오늘은 유체역학의 정의, 응용, 가지, 속성, 역사적 배경을 알게 될 것입니다. 또한 다음에 노출될 것입니다.

• 연속체 역학을 사용한 유체 역학
• 비점성 및 점성 유체.
• 뉴턴 유체 대 비뉴턴 유체. 뉴턴 유체 방정식도 논의됩니다.

유체 역학이란 무엇입니까?

유체 역학은 액체와 기체의 거동, 특히 이들이 생성하는 힘에 대한 연구로 정의할 수 있습니다. 서론에서 언급했듯이 유체 역학은 정지해 있는 유체(유체 정역학)와 운동 중인 유체(유체 역학)에 대한 연구입니다. 또한 적용된 전단 응력 하에서 지속적으로 변형(유동)하는 물질로 정의할 수 있습니다. 가해진 응력의 크기에 관계없이 변형됩니다.

액체, 기체, 플라즈마, 그리고 어느 정도 플라스틱 고체는 유체의 좋은 예가 될 수 있습니다. 유체는 형태 변화에 대한 내부 저항을 제공하지 않으며 용기의 형태를 취해야 합니다.

위의 이미지는 용기 내 액체, 기체 및 플라즈마의 거동을 보여줍니다.

대부분의 과학 분야는 유체 역학에 관심을 보였습니다. 예를 들어, 물리학자들은 자기장을 통한 극고온 가스의 흐름을 연구합니다. 이것은 핵융합 반응의 에너지를 활용하는 수용 가능한 방법을 찾는 과정에서 발생합니다. 엔지니어들은 실용적인 목적으로 사용되는 유체에 의해 생성되는 힘 때문에 유체 역학에 관심을 보였습니다. 일부 예에는 에어로포일 설계, 제트 추진, 풍력 터빈 및 유압 브레이크가 포함됩니다. 이에 대해 자세히 설명합니다.

유체 역학은 정지 상태와 운동 중인 유체에 대한 연구라는 것을 이해해야 합니다. 유체는 일정한 하중 하에서 지속적으로 변형되는 재료로 정의할 수 있습니다. 운동학, 응력, 보존, 조절 및 구성은 유체 역학 문제에서 유용한 다섯 가지 중요한 용어입니다. 음, 이러한 문제는 관심 시스템의 선택과 벡터 수량의 단순화를 관장하는 관심 볼륨에 따라 달라질 수 있습니다.

유체역학의 역사적 배경

유체 역학은 인간의 삶에서 매우 중요한 역할을 했으며 계속해서 이러한 영향을 미칠 것입니다. 호기심 많은 사람들의 마음을 사로잡은 이유다. 고대 그리스 역사에서 이 문제에 대한 체계적인 이론 작업이 수행되었습니다. 16 세기에 유체 흐름의 지배 방정식의 개발이 시작되었습니다. 18 그리고 19 수세기 동안 질량, 운동량 및 에너지에 대한 보존 법칙은 가장 일반적인 형태로 알려졌습니다. 20 세기에 발전은 이론적, 실험적, 최근에는 수치적 형태로 이루어졌습니다. 특수한 경우에 대한 지배 방정식의 해는 이론 분야에서 제공되었습니다. 유속 및 유체 특성을 측정하기 위해 실험 방법이 사용되었습니다. 컴퓨터를 사용하여 유체 역학 문제의 수치적 처리는 연구의 새로운 관점을 열었습니다. 21세기의 일반적인 믿음은 활동이 새로운 실험 및 수치 도구의 개발에 가장 집중적일 것이라는 것입니다. 또한 신기술 개발을 위한 응용

유체역학의 응용

오늘날 대다수의 관찰이 있었다면 생명체는 액체 없이는 불가능했을 것입니다. 즉, 행성을 덮고 있는 대기와 바다는 유체입니다. 유체 역학은 무한한 과학 및 실용적인 목적을 제공합니다. 비선형 장 이론으로 설명하고 있지만 유체 현상을 쉽게 관찰 할 수 있기 때문에 거의 모든 전문 분야를 끌어냅니다. 따라서 유체 역학의 응용 프로그램에는 수학자, 물리학자, 생물학자, 지질학자, 해양학자, 대기 과학자 및 거의 모든 종류의 공학을 포함한 이러한 전문 지식이 포함됩니다. 요즘 예술가들은 유체 역학을 연구하고 활용하고 활용하는 데 끌렸습니다. 이것은 자연 세계를 더 잘 이해하기 위해 형식 및 계산 기술을 만들고 테스트하는 데 사용됩니다. 또한 인간의 상태를 개선하려고 시도합니다.

유체 역학의 적용에는 운송, 재료 처리 및 제조, 발전 및 변환, 토목 기반 시설, 식품 생산이 포함됩니다.

유체역학의 주요 분야

다음은 유체 역학의 두 가지 주요 분야입니다.

유체 정적:

유체 역학의 이 분야는 정수압이라고도 합니다. 그것은 정지해 있는 유체에 대한 연구이며 유체가 안정된 평형 상태에서 정지해 있는 조건에 대한 연구를 포함합니다. 정수역학 유체 역학은 일상 생활의 많은 현상에 대한 물리적 설명을 보여줍니다. 여기에는 고도에 따라 기압이 변하는 이유, 나무와 기름이 물에 뜨는 이유, 용기의 모양에 관계없이 물의 표면이 항상 수평인 이유가 포함됩니다.

수압학은 유압, 운송, 유체 사용 및 저장 장비 엔지니어링의 기초입니다. 정수역학의 일부 관련 측면에는 지구 물리학 및 천체 물리학(예:지구의 중력장의 판 구조 및 이상 현상 이해), 기상학, 혈압 측면의 의학 및 기타 많은 전문 분야가 포함됩니다.

유체 역학:

유체 역학은 유체 흐름을 다루는 유체 역학의 하위 분야입니다. 그것은 움직이는 액체와 기체의 과학입니다. 유량 측정에서 파생되고 실제 문제를 해결하는 데 사용되는 경험적 및 반-실증적 법칙을 포함하는 이러한 실제 분야를 드러내는 체계적인 구조를 제공합니다. 유체 역학 문제는 이미 해결되었습니다. 여기에는 압력, 밀도, 속도 및 온도와 같은 유체의 다양한 속성을 공간과 시간의 함수로 계산하는 것이 포함됩니다. 유체 역학의 이 분과에는 공기와 운동 중인 다른 기체를 연구하는 공기 역학과 같은 여러 하위 분야가 있습니다. 유체 역학은 움직이는 액체에 대한 연구인 또 다른 하위 분야입니다.

유체 역학의 응용 분야에서 앞서 언급한 바와 같이 항공기의 힘과 움직임을 계산하는 것을 포함하여 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다. 또한 파이프라인을 통해 석유의 질량 유량을 결정하고, 진화하는 기상 패턴을 예측하고, 성간 공간의 성운을 이해하고, 폭발을 모델링합니다. 마지막으로 일부 유체 역학 원리는 교통 공학 및 군중 역학에 사용됩니다.

유체의 기본 원리

유체는 개별 분자로 구성됩니다. 이 분자는 매우 작고 매우 낮은 압력의 가스를 제외하고는 작습니다. 밀리리터당 분자의 수는 너무 커서 개별 개체로 볼 필요가 있습니다. 액정으로 알려진 액체에서 분자는 매체의 특성을 국부적으로 이방성으로 만드는 방식으로 함께 포장됩니다. 그러나 공기와 물을 포함한 대부분의 유체는 등방성입니다.

유체 역학에서 이방성 유체의 상태는 공간의 모든 지점에서 단위 부피당 평균 질량 또는 밀도(p), 온도(T) 및 속도(V)를 정의하여 설명합니다. 또한 이러한 거시적 특성과 개별 분자의 위치 및 속도 사이에는 직접적인 사용이 없는 연결이 있습니다.

기체와 액체의 차이는 설명하는 것보다 인식하기가 매우 쉽습니다. 그러나 이것은 여전히 ​​​​검토해야합니다. 분자는 가스에서 서로 거의 독립적으로 움직일 수 있을 만큼 충분히 멀리 떨어져 있습니다. 가스는 사용 가능한 부피를 채우기 위해 팽창하는 경향이 있습니다. 반면에, 액체 분자는 다소 접촉하고 있으며 그들 사이의 단거리 인력으로 인해 응집됩니다. 분자는 고체의 특징인 정렬된 배열로 정착하기에는 너무 빨리 움직입니다. 그래도 흩어지지는 않습니다.

그러나 액체는 방울 또는 자유 표면이 있는 제트로 존재할 수 있습니다. 그들은 가스 샘플이 할 수 없는 방식으로 중력에 의해서만 구속된 비커에 앉을 수도 있습니다. 이러한 샘플은 분자가 자유 표면을 가로질러 탈출하기에 충분한 속도로 픽업하고 교체되지 않기 때문에 시간이 지남에 따라 증발할 수 있습니다. 액체 방울과 제트의 수명은 일반적으로 증발을 무시할 만큼 충분히 깁니다.

유체 역학과 연속체 역학의 관계

유체 역학은 연속체 역학의 하위 분야입니다. 다음은 이 분야와 관련된 하위 분야 목록입니다.

유체 역학 – 이것은 힘을 받을 때 변형되는 연속 물질의 물리학 연구입니다.

연속체 역학 – 연속 재료의 물리학 연구.

견고한 역학 – 정지 형상이 정의된 연속 재료의 물리학 연구

유변학 – 고체 및 유체 특성을 모두 갖는 재료 연구.

탄력성 - 가해진 응력이 제거된 후 휴식 형태로 돌아가는 재료를 설명합니다.

가소성 – 충분한 응력을 가한 후 영구적으로 변형되는 것을 설명합니다.

비뉴턴 유체 – 적용된 전단 응력에 비례하는 변형률을 겪지 않습니다.

뉴턴 유체 – 적용된 전단 응력에 비례하는 변형률을 겪습니다. 이에 대해서는 더 자세히 설명하겠습니다.

기계적으로 유체는 전단 응력을 지지하지 않기 때문에 정지해 있는 유체가 용기 모양을 하고 있습니다. 정지해 있는 유체에는 전단 응력이 없습니다.

유체 역학에 대해 자세히 알아보려면 동영상을 시청하세요.

비점성 및 점성 유체

비점성 유체는 점도가 없으며 이상화입니다. 그것은 수학적 치료를 용이하게 합니다. 초유체의 경우 순수한 비점성 흐름이 실현됩니다. 그렇지 않으면 유체는 일반적으로 점성이 있습니다. 유체 역학 시스템의 수학은 경계층 외부의 유체가 점성이 없다고 가정하여 처리할 수 있습니다. 솔루션은 얇은 층류 경계 레이어의 솔루션과 일치해야 합니다.

뉴턴 유체 및 비뉴턴 유체

뉴턴 유체는 아이작 뉴턴의 이름을 따서 명명되었습니다. 전단 응력이 전단면에 수직인 방향의 속도 구배에 선형적으로 비례하는 유체로 정의됩니다. 유체에 작용하는 힘에 관계없이 유체가 계속 흐른다는 의미입니다. 물은 얼마나 저어주거나 혼합하든 관계없이 계속해서 유체 특성을 나타내기 때문에 뉴턴 유체의 좋은 예입니다.

좋은 예는 유체를 통해 천천히 움직이는 작은 물체의 항력이 물체에 가해진 힘에 비례한다는 것입니다. 물 및 대부분의 가스와 같은 중요한 유체는 정상적인 조건에서 뉴턴 유체와 유사하게 잘 작동합니다.

반면에 비뉴턴 유체는 휘저을 때 구멍을 남길 수 있습니다. 이것은 푸딩, 우블렉과 같은 재료에서 발생할 수 있으므로 시간이 지남에 따라 점차 채워집니다. 비뉴턴 유체를 휘젓는 것은 유체의 속도를 감소시켜 유체를 더 얇게 보이게 할 수 있습니다. 다양한 유형의 비뉴턴 유체가 있습니다. 특정 속성을 준수하지 않는 것으로 정의할 수 있습니다. 예를 들어, 분자 사슬이 긴 거의 모든 유체는 비뉴턴 방식으로 반응할 수 있습니다.

결론

이것이 유체 역학에 대한 이 게시물의 전부입니다. 여기서 유체 역학의 정의, 역사적 배경, 응용 프로그램, 분기, 원리 및 연속체 역학과의 관계를 설명합니다.

이 글을 통해 많은 것을 얻으셨기를 바라며, 그렇다면 다른 학생들과도 공유해 주시기 바랍니다. 읽어 주셔서 감사합니다. 다음에 만나요!