42 Mechanika płynów

Mechanika płynów – dział mechaniki ośrodków ciągłych zajmujący się analizą ruchu płynów. Przez płyny rozumie się tutaj zarówno ciecze, jak i gazy. Rozwiązaniem zagadnień mechaniki płynów zwykle jest określenie własności płynu i własności danego przepływu, w zależności od współrzędnych przestrzennych i czasu.

Płyn – każda substancja, która może płynąć, tj. charakteryzuje się wielką łatwością zmieniania wzajemnego położenia poszczególnych elementów nawet dla niewielkich sił, w przeciwieństwie do ciał stałych, które przy niewielkich siłach wykazują proporcjonalność odkształcenia do naprężeń. W wyniku czego płyn może swobodnie przemieszczać się (przepływać).

Ciśnienie całkowite – ciśnienie poruszającego się płynu, uzyskane przez zamianę energii kinetycznej płynu na energię ciśnienia. Ciśnienie całkowite jest sumą ciśnienia statycznego oraz ciśnienia dynamicznego.

Dysza – przyrząd do sterowania kierunkiem lub charakterystyką wypływu płynu. Dysza jest najczęściej rurą o zmiennym przekroju, niekoniecznie okrągłym.

Efekt Cheerios – tendencja niewielkich, pływających przedmiotów do przyciągania się do siebie i do ścianek naczynia.

Efekt Coandy – zjawisko fizyczne polegające na tym, iż strumień płynu ma tendencję do przylegania do najbliższej powierzchni. Efekt został nazwany od nazwiska odkrywcy Henri Coandy.

Efekt Magnusa – zjawisko polegające na powstawaniu siły prostopadłej do kierunku ruchu, działającej na obracający i poruszający się względem płynu walec lub inną bryłę obrotową.

Elipsoida Jacobiego to trójosiowa elipsoida w równowadze, która występuje, gdy oddziałujące ze sobą polem grawitacyjnym płynne ciało wiruje ze stałą prędkością kątową. Jest nazwana na cześć niemieckiego matematyka Carla Gustava Jakoba Jacobiego..

Implozja – przeciwieństwo eksplozji ze względu na kierunek wybuchu, nagłe zapadanie się materii w zamkniętym obszarze pod wpływem panującego w nim podciśnienia.

Kawitacja – zjawisko fizyczne polegające na gwałtownej przemianie fazowej z fazy ciekłej w fazę gazową pod wpływem zmniejszenia ciśnienia. Jeżeli ciecz gwałtownie przyspiesza zgodnie z zasadą zachowania energii, ciśnienie statyczne cieczy musi zmaleć. Dzieje się tak np. w wąskim otworze przelotowym zaworu albo na powierzchni śruby napędowej statku. Kawitacja występuje wyłącznie w cieczach.

Lepkość – właściwość płynów i plastycznych ciał stałych charakteryzująca ich tarcie wewnętrzne wynikające z przesuwania się względem siebie warstw płynu podczas przepływu. Lepkość jest jedną z najważniejszych cech płynów.

Liczba Macha, mach – liczba podobieństwa, wyrażająca:stosunek prędkości przepływu płynu w danym miejscu do prędkości dźwięku w tym płynie w tym samym miejscu, stosunek prędkości obiektu poruszającego się w płynie do prędkości dźwięku w tym płynie, niezakłóconym ruchem obiektu, czyli formalnie – w nieskończoności,

Linia prądu – w mechanice płynów linia styczna w każdym punkcie do kierunku prędkości cząstki płynu. Linie prądu są liniami wektorowego pola prędkości płynu. W przepływie stacjonarnym linie prądu pokrywają się z trajektoriami cząstek płynu.

Menisk – zakrzywienie powierzchni swobodnej cieczy w pobliżu rozdzielenia od siebie powierzchni swobodnej cieczy i ciała stałego lub innej niemieszającej się cieczy.

Metoda dużych wirów – metoda aproksymacji drobnoskalowych własności turbulencji używana w numerycznych symulacjach przepływu cieczy. Przykładem jest symulacja komputerowa rozwoju chmur stratocumulus czy rozwoju konwekcji, kiedy Ziemia jest podgrzewana w czasie dnia.

Naczynia połączone – co najmniej dwa naczynia skonstruowane tak, że ciecz może swobodnie między nimi przepływać, na przykład przez połączenie znajdujące się w dnie każdego z nich.

Nadciekłość – stan materii charakteryzujący się całkowitym zanikiem lepkości.

Napęd magnetohydrodynamiczny (MHD) – napęd jednostek pływających, zwłaszcza okrętów podwodnych, oparty na zasadach magnetohydrodynamiki (MHD).

Napięcie powierzchniowe – zjawisko fizyczne występujące na styku powierzchni cieczy z ciałem stałym, gazem lub inną cieczą, dzięki któremu powierzchnia ta zachowuje się jak sprężysta błona. Napięciem powierzchniowym nazywa się również wielkość fizyczną ujmującą to zjawisko ilościowo: jest to energia przypadająca na jednostkę powierzchni, co jest równoważne pracy potrzebnej do powiększenia powierzchni o tę jednostkę.

Niestabilność Kelvina-Helmholtza – zjawisko fizyczne zachodzące, gdy w jednorodnym płynie lub na granicy dwóch płynów występuje ścinanie. Zostało nazwane na cześć naukowców, którzy je opisali. Przykładem tej niestabilności jest powstawanie fal na wodzie, nad którą wieje wiatr. Niestabilność jest również obserwowana w chmurach, w głębi oceanu, w magnetosferze i atmosferze Saturna, w otoczeniu Wielkiej Czerwonej Plamy na Jowiszu, a także w koronie słonecznej.

Obliczeniowa mechanika płynów, numeryczna mechanika płynów – dział mechaniki płynów wykorzystujący metody numeryczne do rozwiązywania zagadnień przepływu płynów.

Opór aero(hydro)dynamiczny – składowa wektora siły aerodynamicznej lub hydrodynamicznej, równoległa do kierunku ruchu ciała względem płynu i skierowana zawsze przeciwnie do kierunku ruchu ciała. Siła aerodynamiczna powstaje podczas ruchu ciała w płynie; gdy ruch ciała ustaje, siła oporu zanika. Opór aero(hydro)dynamiczny traktować można jako rodzaj siły biernej, przyłożonej do poruszającego się ciała.

Paradoks d'Alamberta – paradoks w mechanice płynów sformułowany przez Jeana le Rond d’Alemberta. Paradoks ten polega na tym, że ze wzorów wynika, iż siła działająca na ciało opływane płynem nielepkim przy ruchu potencjalnym (bezwirowym) równa jest zero - co jest sprzeczne z doświadczeniem.

Paradoks hydrostatyczny – paradoks związany z mechaniką płynów, polegający na tym, że ciśnienie na dnie naczynia nie zależy wprost od ciężaru cieczy zawartej w naczyniu, a zależy od wysokości słupa cieczy nad dnem. Natomiast parcie cieczy na dno naczynia zależy od pola powierzchni dna, wysokości słupa cieczy i ciężaru właściwego cieczy. Wynika z tego, że parcie cieczy na dno w naczyniach o różnych kształtach będzie takie samo, jeżeli pole powierzchni dna każdego z tych naczyń i wysokość słupa cieczy w tych naczyniach będą równe.

Parcie hydrostatyczne – siła nacisku jaką płyn wywiera na daną powierzchnię. Siła ta jest normalna do danej powierzchni.

Płyn barotropowy - płyn, którego gęstość jest stała lub zależna tylko od ciśnienia. Przybliżenie płynu barotropowego jest używane w fizyce atmosfery, oceanografii czy też w astrofizyce.

Powierzchnia swobodna cieczy – powierzchnia styku cieczy z próżnią lub płynem. Kształt jaki przyjmuje zależy od sił działających na granicy cieczy i dla cieczy nie poddawanej przyspieszeniu jest zawsze prostopadła do siły wypadkowej działającej na ciecz na jej powierzchni.

Prawo Archimedesa – prawo hydro- i aerostatyki określające siłę wyporu płynu, odkryte przez Archimedesa z Syrakuz. Prawo Archimedesa głosi, że na ciało zanurzone w płynie działa pionowa, skierowana ku górze siła wyporu której wartość jest równa ciężarowi płynu wypartego przez to ciało:

Prawo Stokesa – prawo określające siłę oporu ciała w kształcie kuli poruszającego się w płynie. Zostało odkryte w roku 1851 przez George’a Stokesa.

Prawo Torricellego – zależność opisująca prędkość wypływu cieczy z naczynia przez otwór (rysunek)

Przepływ wielofazowy – w mechanice płynów równoczesny przepływ materiałów o dwóch lub więcej fazach termodynamicznych. Praktycznie wszystkie techniki przetwarzania, od kawitacji w pompach i turbinach po produkcję papieru i tworzyw sztucznych, pociągają za sobą pewną formę przepływu wielofazowego. Przepływ taki jest również powszechny w wielu zjawiskach naturalnych.

Rurka Pitota – przyrząd do pomiaru ciśnienia całkowitego przy przepływie płynów stosowany również do wyznaczania prędkości przepływu.

Rurka Prandtla – przyrząd do pomiaru prędkości przepływu płynu poprzez pomiar ciśnienia w przepływającym płynie. Składa się on z dwóch osadzonych w sobie rurek, z czego pierwsza wewnętrzna służy do badania ciśnienia całkowitego płynu, natomiast zewnętrzna do badania ciśnienia statycznego.

Siła gradientu ciśnienia – siła działająca na objętość płynu gdy występuje różnica ciśnienia na powierzchni elementu płynu.

Siła wyporu – siła działająca na ciało zanurzone w płynie, czyli w cieczy lub gazie w obecności ciążenia. Siłę tę opisuje prawo Archimedesa.

Stalagmometr – przyrząd do pomiaru napięcia powierzchniowego na granicy cieczy i gazu lub na granicy dwóch nierozpuszczalnych w sobie faz ciekłych. Składa się z pojemnika na ciecz podlegającą badaniu oraz kapilary z odpowiednio ukształtowanym zakończeniem zwanym stopką. Taka konstrukcja pozwala na powolny, swobodny wypływ zgromadzonej cieczy dyskretnymi porcjami – kroplami, tworzącymi się pod stopką kapilary i regularnie odrywającymi się od niej.

Struga – spójny pęk sąsiadujących ze sobą linii prądu.

Superkawitacja – zjawisko fizyczne polegające na powstaniu wokół obiektu zanurzonego w cieczy bąbla gazowego otaczającego cały ten obiekt. Może się tak zdarzyć np. gdy emituje on wibracje lub porusza się z dużą prędkością względem cieczy.

Twierdzenie transportu Reynoldsa – jedno z kluczowych twierdzeń w dynamice płynów. Umożliwia sformułowanie podstawowych praw wykorzystywanych w dynamice płynów – równania zachowania masy, drugiej zasady dynamiki Newtona oraz praw termodynamiki.

Wir – jednospójny obszar płynu, w którym wektor rotacji prędkości płynu jest różny od zera, ma ten sam kierunek i zwrot w każdym punkcie pola. Taki wir zapisać można w postaci:

Zjawiska kapilarne – szereg zjawisk związanych z zachowaniem par i cieczy, a pojawiających się dla wielu obiektów o małym wymiarze charakterystycznym i silnie zależne od tego wymiaru, przy kącie zwilżania powyżej 90 stopni. W zależności od kąta zwilżania zjawisko może się pojawiać lub zanikać, promień rurki kapilarnej ma wpływ na wysokość podsiąkania.

Zwężka Venturiego, dysza Venturiego – przepływomierz – przyrząd służący do pomiaru szybkości przepływu płynu, wynaleziony przez Giovanniego Battistę Venturiego. Zasada jej działania jest ilustracją prawa Bernoulliego: