fluidmekanikk

Fluidmekanikk i praksis.

Fluidmekanikk er en del av fysikken som dreier seg om væsker, gasser og plasma som enten er i ro eller i bevegelse. Fluidmekanikk har en rekke anvendelser, for eksempel ved design av luftfartøy og undervannsbåter, men også mer generelt i fagfeltene fysikk, kjemi og biologi.

Krefter

Gass, væsker og plasma kan påvirkes av mekaniske krefter, som gjør at de settes i bevegelse. For eksempel vil tyngdekraften påvirke væsker med en kraft som er rettet mot jordens sentrum, og denne kraften er derfor opphavet til bevegelsen til for eksempel elver og fosser. Væsker kan også påvirkes av elektromagnetiske krefter. Man kan for eksempel bruke påtrykte elektriske felt i små pumpesystemer.

Studien av vannlignende væsker som påvirkes av elektriske krefter kalles elektrohydrodynamikk. En viktig teknikk her er elektroforese, der man studerer bevegelsen til ioner og partikler i væsker og gasser utsatt for elektriske felt. Dersom en væske inneholder ferromagnetiske partikler vil man kunne påvirke bevegelsen til væsken ved hjelp av magnetfelt, og dette kalles ofte ferrohydrodynamikk.

Statikk og dynamikk

Numerisk simulering av væskestrøm som passerer en sylinder (hvit) ved små og store væskehastigheter. Ved små væskehastigheter er væskestrømmen laminær. Når hastigheten øker, vil det dannes virvelgater og turbulens.

Man deler gjerne fluidmekanikk opp i fluidstatikk og fluiddynamikk.

Fluidstatikk omhandler væsker i likevekt, og viktige tilstandsvariabler er statisk trykk og temperatur.

Fluiddynamikk omhandler sammenhengen mellom påtrykte krefter og væskers bevegelse, og beskrives ofte ved hjelp av den såkalte Navier-Stokes-ligningen. Denne løses ofte numerisk i komplekse geometrier. Den kan bare løses analytisk i enkelte situasjoner, så for friksjonsfri og laminær strømning brukes ofte den enklere Bernoulliligningen.

Skjærspenninger og friksjon

En væske vil ikke kunne motstå skjærspenninger før den forandrer form. Dette er grunnen til at en elv ikke stopper når den treffer en stein, men prøver å strømme rundt den. For små hastigheter vil strømningen være laminær, mens ved store hastigheter vil man kunne observere turbulens. Fjerner vi skjærspenningen, vil ikke væsken vende tilbake til sin opprinnelige form uansett hvilken type strømning man har.

Væsken kan motsette seg endringer i sin bevegelse i form av friksjon, men denne friksjonen kan ikke opprettholde skjærspenninger, noe som betyr at slike skjærspenninger er fraværende så lenge væsken er i ro. Dette er grunnen til at en væske vil anta formen til den beholderen den tømmes oppi, noe man ikke kan si om et faststoff.

Overflatehinne

Alle væsker av endelig størrelse har en overflatehinne som vender mot en annen gass, væske eller faststoff. Ved denne overflaten vekselvirker væskemolekylene med færre identiske naboer. Dette fører igjen til at dersom man ønsker å øke overflatearealet på en væske, må man gjøre et arbeid for å dytte unna overflatemolekylene for å gjøre plass. Overflatespenning, definert som arbeid per areal, og spiller en stor rolle i dagliglivet så vel som i en rekke industrielle og vitenskapelige sammenhenger. Dette kan være alt fra oljedråper i vann, tynne oljefilmer på vannoverflater, til vanndråper i luft.

Et kontinuum

Når man prøver å forstå oppførselen til en væske, er det vanlig å anta at dens indre danner et kontinuum der man ikke trenger ta hensyn til kollisjoner og vekselvirkninger mellom individuelle molekyler. I noen tilfeller antar man også isotropi, som vil si at den ikke har noen spesielle retninger som oppfører seg ulikt de andre med tanke på friksjon eller strømning. Bare ytre krefter eller føringer, som for eksempel veggene i et rør, vil kunne bidra til at væsken beveger seg i en bestemt retning.

De aller fleste gasser, væsker og plasma kan beskrives ved hjelp av klassisk mekanikk. Superfluider og Bose-Einstein-kondensat er imidlertid unntak som viser kvante-effektermakroskopisk skala, men disse opptrer stort sett under helt spesielle betingelser ved svært lave temperaturer.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg