กลศาสตร์ของไหล

FLUID MECHANICS กลศาสตร์ของไหล

คำ นำ E-book เล่นนี้จัดทำ ขึ้นเพื่อศึกษาเรื่องกลศาสตร์ของไหล และสรุป ความเข้าใจซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของรายวิชา ฟิสิกส์ และจัดทำ ขึ้นเพื่อให้ผู้ อ่านได้เข้าใจในเรื่องกลศาสตร์ของไหลและมีความรู้ไว้ศึกษาต่อใน เรื่องถัดไปและไปใช้ให้เกิดประโยชน์ในชีวิตประจำ วัน ผู้จัดทำ พร้อมยินดีรับคำ ติชม เมธาวี ไกรวัน ผู้จัดทำ

สารบัญ เรื่อง หน้า กลศาตร์ของไหล ของไหล กฎของพาสคัลและเครื่องอัดไฮดรอลิก แรงลอยตัวและหลักของอาร์คอมีดิส ตวามตึงผิว ความโค้งของผิวของเหลว และความหนืด สมการของแบร์นูลลี 1 2 3 4 5 6

กลศาสตร์ของไหล คือวิชาที่ศึกษาพฤติกรรมการเคลื่อนที่ของของไหลและแรงที่เกิดขึ้น (ของไหลหมายถึงของเหลวและก๊าซ) กลศาสตร์ของไหลอาจแบ่งได้เป็นสองส่วนคือ สถิตยศาสตร์ของไหลซึ่งศึกษาของไหลในขณะที่หยุดนิ่ง และพลศาสตร์ของไหลที่ศึกษา การเคลื่อนที่ของของไหล ศาสตร์นี้นับเป็นส่วนหนึ่งของกลศาสตร์ภาวะต่อเนื่องซึ่งศึกษา แบบจำ ลองของวัตถุโดยไม่สนใจข้อมูลในระดับอะตอม กลศาสตร์ของไหล กลศาสตร์ของไหลเป็นหนึ่งในสาขาการวิจัยที่ได้รับความสนใจและมีปรากฏการณ์มากมาย ที่ยังไม่ถูกค้นพบ หรือถูกค้นพบเพียงบางส่วน กลศาสตร์ของไหลประกอบด้วยสมการทาง คณิตศาสตร์ที่ซับซ้อน บางครั้งวิธีหาคำ ตอบที่ดีที่สุดคือการประยุกต์ใช้ระเบียบวิธีเชิง ตัวเลข โดยเฉพาะการประยุกต์ใช้คอมพิวเตอร์ วิทยาการสมัยใหม่เกี่ยวกับกลศาสตร์ ของไหลคือ พลศาสตร์ของไหลเชิงคณนา (Computational Fluid Dynamics) (CFD) คือเครื่องมือที่ถูกใช้ในการแก้ปัญหาทางกลศาสตร์ของไหลโดยเฉพาะ หรือการแก้ปัญหา ด้วยการใช้ Particle Image Velocimetry มาใช้สร้างให้เห็นภาพการไหลของของไหล และศึกษาพฤติกรรมของมัน กลศาสตร์ของไหลเป็นส่วนหนึ่งของวิชาฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับ คุณสมบัติของของไหลและแรงที่เกิดขึ้นในตัวของมัน

ของไหล ของเหลวเป็นสถานะหนึ่งของสสาร มีปริมาตรคงตัวและมีรูปร่างตามภาชนะที่บรรจุ ส่วนก๊าซเป็นอีกสถานะหนึ่งของสสาร มีรูปร่างและปริมาตรไม่คงตัว ขึ้นกับภาชนะที่บรรจุ ทั้ง ของเหลวและก๊าซสามารถไหลจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่งได้ จึงเรียกของเหลวและก๊าซว่า ของไหล (fluid) สมบัติของของไหลได้แก่ ความหนาแน่น ความดัน ความตึงผิวและความหนืด พฤติกรรมของของไหลทั้งที่อยู่นิ่งและเคลื่อนที่อธิบายได้ด้วยหลักและกฎทางฟิสิกส์ที่ เกี่ยวข้อง ความหนาแน่น ความดันในของเหลว ความดันของของไหล คือ อัตราส่วนของแรงที่กระทำ ต่อวัตถุต่อหน่วยพื้นที่ที่สัมผัสกับ ของไหล

กฎของพาสคัลและเครื่องอัดไฮดรอลิก ด้วยหลักการนี้ทำ ให้เกิดการประยุกต์ใช้เครื่องผ่อนแรงที่เรียกว่า " เครื่องอัดไฮดร อลิก " ซึ่งประกอบด้วยกระบอกสูบและลูกสูบสองชุดที่มีขนาดต่างกัน ดังรูปพาส คัล ได้ค้นพบว่า การเปลี่ยนแปลงความดันที่กระทำ ต่อของไหลในภาชนะปิดจะมี การส่งผ่านแรงทั้งหมดไปยังทุกจุดของของไหลและผนังของภาชนะ แรงลอยตัวและหลักของอาร์คิมีดิส หลักเกี่ยวกับแรงลอยตัวของวัตถุซึ่งอยู่ในของเหลวกล่าวว่า “ แรงลอยตัวจะมีค่า เท่ากับน้ำ หนักของของเหลวซึ่งมีปริมาตรเท่าวัตถุส่วนที่จม ” มีค่าดังสมการ

ความตึงผิว แรงระหว่างโมเลกุลของของเหลวที่ดึงกันไว้ทำ ให้ผิวของเหลวราบเรียบ และตึงเรียกว่า " แรงดึงผิว " แรงดึงผิวนี้จะมีทิศขนานกับผิวของเหลวและ ตั้งฉากกับขอบที่ของเหลวสัมผัส ดังรูป ความตึงผิวของของเหลวแต่ละชนิดที่อุณหภูมิเดียวกันมีค่าไม่เท่ากัน สำ หรับของเหลว ชนิดหนึ่งความตึงผิวจะเปลี่ยนไปเมื่อของเหลวมีสารเจือ เช่น น้ำ เกลือหรือน้ำ สบู่จะมี ความตึงผิวน้อยกว่าน้ำ และความตึงผิวจะลดลงเมื่ออุณหภูมิของของเหลวเพิ่มขึ้น ของไหลในอุดมคติมีสมบัติดังนี้ - มีการไหลอย่างสม่ำ เสมอ หมายถึงความเร็วของทุกอนุภาค ณ ตำ แหน่งต่างๆของ ของไหลมีค่าคงตัว - มีการไหลโดยไม่หมุน คืออนุภาคจะไม่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเชิงมุม - มีการไหลโดยไม่มีแรงต้านเนื่องจากความหนืด หมายถึงไม่มีแรงต้านใดๆใน เนื้อของของไหล - ไม่สามารถอัดได้ หมายความว่าของไหลมีปริมาตรคงตัวมีความหนาแน่นเท่าเดิม ตลอด

ความโค้งของผิวของเหลว ของเหลวในภาชนะจะมีผิวลักษณะโค้งนูนหรือโค้งเว้า ขึ้นกับแรงระหว่างแรง เชื่อมแน่น(cohesive force)ที่เกิดขึ้นระหว่างโมลุกุลชนิดเดียวกัน กับแรง ยึดติด(adhesive)ที่เกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลต่างชนิดกัน ดังรูป ความหนืด ของไหลที่มีความหนืดมากจะมีแรงต้านการเคลื่อนที่อันเนื่องมาจากความหนืดของของไหล เรียกว่า " แรงหนืด " แรงหนืดที่กระทำ ต่อวัตถุขึ้นอยู่กับขนาดความเร็วของวัตถุและแรงนี้มีทิศตรงกันข้ามกับการ เคลื่อนที่ของวัตถุ จอร์จ กาเบรียล สโตกส์ ได้ทดลองหาแรงหนืดและพบว่า แรงหนืดแปรผันตรงกับความเร็ว ของวัตถุทรงกลมตัน ตามสมการ

สมการของแบร์นูลลี สมการนี้เรียกว่า สมการของแบร์นูลลี ซึ่งกล่าวว่า ผลรวมของความดันพลังงานจลน์ต่อหนึ่งหน่วยปริมาตร และพลังงานศักย์โน้ม ถ่วงต่อหนึ่งหน่วยปริมาตร ณ ตำ แหน่งใดๆภายในท่อที่ของไหลผ่าน มีค่าคงตัว ด้วยหลักการนี้จึงเกิดการประยุกต์ใช้ในการทำ งานของเครื่องพ่นสี และการ ออกแบบปีกเครื่องบิน เป็นต้น