Płyn - Fluid
Część serii na |
Mechanika kontinuum |
---|
W fizyki , A płyn jest cieczą , gazem lub inny materiał, który w sposób ciągły ulega odkształceniu ( przepływów ) pod przyłożonym naprężeniem ścinającym lub siły zewnętrzne. Mają zerowy moduł sprężystości poprzecznej lub, mówiąc prościej, są to substancje, które nie są w stanie wytrzymać żadnej siły ścinającej przyłożonej do nich.
Chociaż termin płyn ogólnie obejmuje zarówno fazę ciekłą, jak i gazową, jego definicja różni się w zależności od gałęzi nauki . Definicje ciała stałego również się różnią iw zależności od dziedziny niektóre substancje mogą być zarówno płynne, jak i stałe. Płyny lepkosprężyste, takie jak Silly Putty, wydają się zachowywać podobnie do ciała stałego po przyłożeniu nagłej siły. Również substancje o bardzo wysokiej lepkości, takie jak pak, wydają się zachowywać jak ciało stałe (patrz doświadczenie ze spadkiem paku ). W fizyce cząstek koncepcja jest rozszerzony płynowe spraw inne niż ciecze lub gazy. Płyn w medycynie lub biologii odnosi się do dowolnego płynnego składnika ciała ( płynu ustrojowego ), podczas gdy „ciecz” nie jest używany w tym sensie. Czasami płyny podawane w celu uzupełnienia płynów , picie lub wstrzykiwanie, są również nazywane płynami (np. „pij dużo płynów”). W hydraulicznych , płyn jest termin, który odnosi się do płynów o określonych własnościach, i jest szerszy niż (hydrauliczne) oleje.
Fizyka
Płyny wyświetlają takie właściwości, jak:
- brak odporności na trwałe odkształcenia, opieranie się tylko względnym szybkościom odkształcenia w sposób rozpraszający, tarcia, oraz
- zdolność do płynięcia (opisywana również jako zdolność do przybierania kształtu pojemnika).
Właściwości te są zazwyczaj funkcją ich niezdolności do podtrzymywania naprężenia ścinającego w stanie równowagi statycznej . W przeciwieństwie do tego, bryły reagują na ścinanie siłą przywracającą sprężynę , co oznacza, że odkształcenia są odwracalne lub wymagają pewnego wstępnego naprężenia przed odkształceniem (patrz plastyczność ).
Bryły reagują siłami przywracającymi zarówno na naprężenia ścinające, jak i na naprężenia normalne — zarówno ściskające, jak i rozciągające . W przeciwieństwie do tego, płyny idealne reagują tylko siłami przywracającymi na normalne naprężenia, zwane ciśnieniem : płyny mogą być poddane zarówno naprężeniu ściskającemu, odpowiadającemu nadciśnieniu, jak i naprężeniu rozciągającemu, odpowiadającemu podciśnieniu . Zarówno ciała stałe jak i ciecze mają również wytrzymałość na rozciąganie, której przekroczenie w ciałach stałych powoduje nieodwracalne odkształcenie i pękanie, a w cieczach początek kawitacji .
Zarówno ciała stałe, jak i ciecze mają swobodne powierzchnie, których wytworzenie kosztuje pewną ilość darmowej energii . W przypadku ciał stałych ilość energii swobodnej tworzącej daną jednostkę powierzchni nazywamy energią powierzchniową , natomiast w przypadku cieczy tę samą wielkość nazywamy napięciem powierzchniowym . Zdolność cieczy do przepływu skutkuje odmiennym zachowaniem w odpowiedzi na napięcie powierzchniowe niż w przypadku ciał stałych, chociaż w równowadze obie starają się minimalizować swoją energię powierzchniową : ciecze mają tendencję do tworzenia zaokrąglonych kropel , podczas gdy czyste ciała stałe mają tendencję do tworzenia kryształów . Gazy nie mają swobodnych powierzchni i swobodnie się rozpraszają .
Modelowanie
W ciele stałym naprężenie ścinające jest funkcją odkształcenia , natomiast w płynie naprężenie ścinające jest funkcją szybkości odkształcenia . Konsekwencją tego zachowania jest prawo Pascala, które opisuje rolę ciśnienia w charakteryzowaniu stanu płynu.
Zachowanie się płynów można opisać równaniami Naviera-Stokesa — zbiorem równań różniczkowych cząstkowych, które opierają się na:
- ciągłość ( zachowanie masy ),
- zachowanie pędu liniowego ,
- zachowanie momentu pędu ,
- zachowanie energii .
Badanie płynów to mechanika płynów , która dzieli się na dynamikę płynów i statykę płynów w zależności od tego, czy płyn jest w ruchu.
Klasyfikacja płynów
W zależności od zależności między naprężeniem ścinającym a szybkością odkształcenia i jego pochodnymi , płyny można scharakteryzować jako jedną z następujących:
- Płyny newtonowskie : gdzie naprężenie jest wprost proporcjonalne do szybkości odkształcenia
- Płyny nienewtonowskie : gdzie naprężenie nie jest proporcjonalne do szybkości odkształcenia, jego wyższych mocy i pochodnych.
Płyny Newtona są zgodne z prawem lepkości Newtona i można je nazwać płynami lepkimi .
Płyny można klasyfikować według ich ściśliwości:
- Płyn ściśliwy: Płyn, który powoduje zmniejszenie objętości lub zmianę gęstości po przyłożeniu do płynu ciśnienia lub gdy płyn staje się naddźwiękowy.
- Płyn nieściśliwy: Płyn, którego objętość nie zmienia się wraz ze zmianami ciśnienia lub prędkości przepływu (tj. ρ=stała), taki jak woda lub olej.
Płyny newtonowskie i nieściśliwe w rzeczywistości nie istnieją, ale zakłada się, że służą do teoretycznego osiadania. Płyny wirtualne, które całkowicie ignorują wpływ lepkości i ściśliwości, nazywane są płynami doskonałymi .
Zobacz też
Bibliografia
- Ptak, Robert Byron; Stewart, Warren E.; Lightfoot, Edward N. (2007). Zjawiska transportu . Nowy Jork: Wiley, poprawione wydanie drugie. P. 912. ISBN 978-0-471-41077-5.