Meccanica dei fluidi di storia, quali studi, fondamenti

IL meccanica dei fluidi È il ramo della meccanica dedicata allo studio delle proprietà e del comportamento dei fluidi, sia liquidi o gas. Si basa sui principi dei meccanici newtoniani di Newton: leggi di Newton, conservazione energetica e slancio.

In Engineering e Life Sciences, i fluidi hanno un ruolo principale. L'aria e l'acqua che ci circondano e che supportano la vita sono fluide, nonché sangue e altri liquidi nel corpo umano e negli animali.

La meccanica del fluido studia il comportamento di gas e liquidi come l'acqua. Fonte: Pixabay.

Le correnti d'aria e le correnti acquatiche sono fattori che determinano il clima e le caratteristiche degli ecosistemi che ospitano esseri. Le piante, che sono il supporto della vita, sfruttano le qualità dei fluidi per adattarsi e prosperare in ambienti diversi.

D'altra parte, conoscere il comportamento dei fluidi è essenziale nel design. Le strutture che modellano la civiltà. Da lì sorge la progettazione di tubi, sistemi di irrigazione, costruzioni civili, raffreddamento, riscaldamento, automobili, barche, aeroplani, articoli sportivi e molto altro ancora.

I meccanici dei fluidi continuano ad agire ancora allontanandosi dall'ambiente terrestre. In effetti, il sole, il centro del sistema solare, è una massa colossale di liquido gassoso, la cui esistenza dipende dall'equilibrio tra gravità e pressione idrostatica.

I campi magnetici stellari e planetari sono una conseguenza del movimento dei carichi elettrici e sono modellati attraverso la fluidodinamica. Per quanto ne sappiamo, questi principi sono validi anche per tutte le stelle, quindi la meccanica fluida è una disciplina di natura universale.

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Breve storia

Antichità

Le antiche civiltà che prosperavano in Medio Oriente e Europa orientale avevano una solida conoscenza del comportamento dei fluidi. Sono stati rivelati nella costruzione di canali di irrigazione e navi.

Nel terzo secolo a.C., il fisico Archimede di Siracusa (287-212 a.C.) ha formulato i principi di galleggiante e idrostatico, validi come ora.

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È noto che gli antichi romani sono diventati notevoli per la gestione e il trasporto di acque per uso domestico e agricolo. Hanno costruito i bagni e molti dei loro acquedotti si alzano ancora.

Medioevo e rinascimento

Leonardo da Vinci Disegno

Anche gli arabi che hanno invaso la penisola iberica hanno portato con sé molte delle conoscenze dei Greci che hanno messo in pratica quando hanno costruito i loro edifici.

Ma il Medioevo è passato senza apparente.

Età moderna fino ad oggi

Blaise Pascal Disegna

Blaise Pascal (1623-1662) era uno scienziato francese che si avventurava in molti campi di conoscenza ai suoi tempi e gettava una nuova luce sulla natura dei fluidi stabilendo, intorno al 1648, il principio che porta il suo nome e creando la stampa idraulica. Pochi anni prima dell'Evangelista Torricelli (1608-1647) fu il primo a misurare la pressione atmosferica.

Ma fu Isaac Newton (1642-1727) a gettare le basi per i fenomeni associati ai fluidi. Non solo quando si stabilisce le tre leggi della dinamica, applicabili a tutti gli oggetti con massa.

Isaac Newton sperimenta la luce

Newton ha anche studiato la viscosità dei fluidi: in effetti c'è una legge di Newton per la viscosità che rimane in vigore oggi.

Nel 1738 il matematico svizzero e fisico Daniel Bernoulli (1700-1782), applicava la conservazione dell'energia a un fluido ideale e formulò l'equazione che porta il suo nome e descrive il comportamento dei fluidi in movimento. Allo stesso tempo, Claude Navier (1785-1836) e George Stokes (1819-1903) svilupparono le equazioni fondamentali della fluidodinamica viscosa.

Daniel Bernoulli

Finendo il diciannovesimo secolo, Osborne Reynolds (1842-1912) studiò turbolenza e stabiliva un criterio per distinguere i flussi laminare e turbolenti.

Si presenta anche l'analisi dimensionale applicata ai fluidi, con Ludwig Prandtl (1875-1953) e il numero Prandtl. Il calcolo ha promosso simulazioni di flusso fluido molto più complesse, frequenti di natura ma difficile da caratterizzare con modelli analitici disponibili.

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What Studies Mechanics Fluids?

Meccanica del fluido Studia il comportamento del fluido ed è diviso in tre aree principali:

• Fluidi statici o fluidi a riposo.
• Fluid Cinematics: Descrivi il movimento dei fluidi.
• Fluid Dynamics, che studia l'origine di detto movimento.

Queste discipline si applicano a gas e fluidi, sebbene lo studio esclusivo di questi sia chiamato idraulico. Idrostatico da parte sua, si riferisce allo studio dei liquidi a riposo e dell'idrodinamica, quando si muovono.

La reologia copre la conoscenza relativa alle deformazioni e al flusso della materia. Sebbene sia considerato parte della meccanica dei media continui, è strettamente correlato ai fluidi, poiché questi sono caratterizzati proprio dalla loro capacità di fluire.

Altri rami importanti sono l'aerodinamica, che analizza il flusso di gas come l'aria, nonché meteorologia, oceanografia e idrologia.

Fondamenti di meccanica fluida

Quando si osservano i fluidi, si scopre che sono formati da atomi e molecole, non così collegati tra loro come quelli di un solido. È possibile seguire la traccia del movimento di un oggetto esteso ma finito, ma come monitorare le innumerevoli particelle in un gas o un liquido?

Densità, peso specifico e pressione

La risposta è in questi concetti chiave: densità e pressione. Invece di lavorare con singoli masse e pesi, funziona con la densità, che è la massa per unità di volume. Associato alla densità è il peso specifico, che è il peso del fluido per unità di volume.

E invece di forza, i fluidi sono caratterizzati da pressione che si esercita sulle superfici, che è definita come forza per unità di area.

Sostanza vischiosa

Descrive l'attrito tra gli strati del fluido, una caratteristica che determina come sarà il suo movimento.

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Principio di Archimede

Il principio di Archimede è fondamentale in idrostatico. Questo afferma che un corpo totalmente o parzialmente sommerso in un'esperienza fluida a riposo.

Principio Pascal

Stabilisce che la pressione in un fluido incomprimibile all'interno di un contenitore viene trasmessa da un punto a un altro dello stesso con la stessa intensità.

Equazione di Bernoulli

È equivalente alla conservazione dell'energia meccanica applicata a una porzione di fluido ideale che circola attraverso un tubo.

Numero Reynolds

È una quantità senza dimensioni utilizzata per distinguere tra flussi laminari e turbolenti.

Numero Prandtl

È una quantità senza dimensioni che caratterizza il trasferimento di calore per convezione al flusso di un determinato fluido.

Applicazioni di meccanica fluida

Inizialmente abbiamo fornito un elenco poco importante delle molteplici applicazioni della meccanica dei fluidi. Successivamente nomineremo brevemente alcuni dei più rilevanti:

La pressa idraulica

Una pressa idraulica è una macchina basata sul principio Pascal. Fonte: Wikimedia Commons.

È una macchina che consiste in un tubo con due diverse sezioni trasversali, piena di fluido incomprimibile. Quando una forza viene applicata a uno stantuffo nella sezione stretta, viene moltiplicata all'uscita di uno stantuffo più grande nella sezione larga.

Compressori

Sono macchine che aumentano la pressione nel momento in cui spostano alcuni fluidi comprimibili, come i gas. In questo modo li costringono a fluire, mentre guadagnano energia che può essere utilizzata per fare un lavoro meccanico.

Turbine

Macchine che usano un fluido per ruotare lame o eliche, che svolgono anche un lavoro meccanico.

Condizionatori

I sistemi riscaldati: riscaldamento e aria condizionata, si basano sulle proprietà dei fluidi per terminare gli ambienti.

Riferimenti

1. Cimbala, c. 2006. Meccanica di fluidi, fondamenti e applicazioni. MC. Graw Hill.
2. Franzini, j. 1997. Meccanica fluida con applicazioni ingegneristiche. 9na. Edizione. McGraw Hill.
3. Mott, r.  2006. Meccanica dei fluidi. 4 °. Edizione. Pearson Education.
4. Potter, m. Meccanica dei fluidi. 3 °. Edizione. Thomson.
5. Tippens, p. 2011. Fisica: concetti e applicazioni. 7a edizione. McGraw Hill.