Παρασκευή 19 Σεπτεμβρίου 2008

ΡΕΥΣΤΑ

Ρευστό

Με τον όρο ρευστό χαρακτηρίζεται μια οποιαδήποτε ουσία που παρουσιάζει ροή. Τέτοιες ουσίες είναι τα υγρά και τα αέρια ή και στερεά που βρίσκονται (τα τελευταία) σε φάση ροής. Συνεπώς ο όρος ρευστό χαρακτηρίζει συνοπτικά τα υγρά και τα αέρια σώματα των οποιων οι δυνάμεις συνοχής είναι χαλαρές με συνέπεια η μάζα τους να ολισθαίνει ελεύθερα (περίπτωση υγρών) ή να μετατοπίζεται ανεξάρτητα (περίπτωση αερίων) έτσι ώστε να λαμβάνει κάθε φορά το σχήμα του χώρου που καταλαμβάνουν ή του μέσου δια του οποίου κινούνται αυτά.

  • Σημειώνεται ότι το φαινόμενο της ροής που χαρακτηρίζει γενικά τα ρευστά είναι ακριβώς τούτο: ότι σ΄ αυτά δεν παρατηρείται κατάτμηση της μάζας τους όταν ασκούνται σ΄ αυτήν εξωγενείς δυνάμεις αλλά αντίθετα αυτή αντιδρά ολισθαίνοντας συνεχώς ή μετατοπίζεται εξ ολοκλήρου ανεξάρτητα και συνεχώς. Φαινόμενο που δεν συμβαίνει στη μάζα των στερεών, υποκείμενη σε κατάτμηση, κάμψη, στρέψη ή άλλη παραμόρφωση ή ακόμα και επαναφορά στην αρχική κατάσταση, εκτός και αν βρεθεί σε "φάση ροής" οπότε και έχει πάψει τότε να θεωρείται στερεό.
  • Τα ρευστά παρουσιάζουν μόνο μία δύναμη που ασκούν προς τα έξω την υδροστατική πίεση και η οποία εφαρμόζεται πάντα κάθετα προς οποιοδήποτε σημείο των τοιχωμάτων του χώρου που βρίσκονται.

Διάκριση ρευστών

Τα ρευστά διακρίνονται στις τρεις ακόλουθες κατηγορίες:

  1. Ιδανικά ρευστά ή τέλεια ρευστά ή και ακόμα ιδεώδη ή ιδεατά: Χαρακτηρίζονται υποθετικά ρευστά (συνήθως υγρά) τα οποία είναι τελείως ασυμπίεστα και καμία εσωτερική τριβή των μορίων τους δεν αναπτύσσεται κατά τη ροή τους. Όπως επίσης και καμία δύναμη συνάφειας μεταξύ αυτών και των τοιχωμάτων των δοχείων ή αγωγών που περιέχονται. Είναι προφανές ότι αυτά αποτελούν υποθετική θεωρητική κατάσταση και μόνο, που λαμβάνεται υπόψη στις έρευνες και μελέτες των Νόμων των ρευστών διευκολύνοντας έτσι κατά πολύ την εξαγωγή συμπερασμάτων με αντίστοιχους υπολογισμούς. Παρά ταύτα ορισμένα φυσικά ρευστά με πολύ χαμηλό ιξώδες και μικρή θερμική αγωγιμότητα είναι δυνατόν ν΄ αντιμετωπιστούν, βέβαια κατά προσέγγιση, ως ιδανικά ρευστά.
  2. Φυσικά ρευστά καλούμενα και Νευτώνεια ρευστά: Χαρακτηρίζονται όσα εμφανίζουν τις αποτρεπτικές ιδιότητες των προηγουμένων π.χ. το νερό, υδατικά διαλύματα, ορισμένοι υδατικοί διαλύτες, τα αραιά αιωρήματα και γαλακτώματα, καθώς και όλα τα αέρια.
  3. Θιξότροπα ρευστά ή Mη νευτώνεια ρευστά: Τέτοια χαρακτηρίζονται συνήθως υγρά που παρουσιάζουν μικρότερης κλίμακας ιδιότητες των φυσικών ρευστών, δηλαδή χαμηλό ίξώδες ιδιαίτερα όταν υποβάλλονται σε ανάδευση και γίνονται περισσότερο λεπτόρευστα. Όπως για παράδειγμα το τυπογραφικό μελάνι, οι διάφορες βαφές (ελαιοχρώματα κ.λπ.). Επίσης σ΄ αυτή τη κατηγορία υπάγονται τα πυκνά αιωρήματα καθώς και τα διάφορα πυκνά γαλακτώματα.
  • Κύρια στοιχεία της διαφορετικότητας των παραπάνω διακρίσεων των ρευστών είναι οι τρεις χαρακτηριστικές ιδιότητές τους: του συμπιεστού, της συνοχής μεταξύ των μορίων τους που ανθίσταται στη διάσπασή τους κατά τη ροή και που εκδηλώνεται ως εσωτερική τριβή καλούμενη συντελεστής τριβής ή συντελεστής ιξώδους ή ποιό απλά ιξώδες, και τέλος από τη συνάφεια των υγρών που παρατηρείται μεταξύ αυτών και των τοιχωμάτων των δοχείων ή αγωγών που μεταφέρονται.
  • Η παραπάνω διάκριση των ρευστών προτάθηκε στα τέλη του 18ου αιώνα και ακολουθείται μέχρι σήμερα.

Δυνάμεις ρευστών

Οι Δυνάμεις που ενεργούν επί των ρευστών διακρίνονται σε εξωτερικές και εσωτερικές.

Εξωτερικές δυνάμεις είναι: η Βαρύτητα, η φυγόκεντρος δύναμη, η ατμοσφαιρική πίεση κ.λπ.
Εσωτερικές δυνάμεις είναι: οι πιέσεις όπως η υδροστατική πίεση.

Υπαγωγή μελέτης

Γενικά τα ρευστά αποτελούν κατάσταση της ύλης και εξετάζονται κατ΄ αυτήν, ενώ ως μέσα (ως προς τη συμπεριφορά των κινήσεών τους και των αντιδράσεών τους σε διάφορες δυνάμεις), εξετάζονται από τη Μηχανική των ρευστών, όπου τα μεν υγρά, από την επιμέρους υδροστατική, όταν ακινητούν, ή την υδροδυναμική, όταν αυτά κινούνται, τα δε αέρια από την επιμέρους αεροδυναμική.

Μηχανική

Μηχανική

Η Μηχανική αποτελεί ευρύ κλάδο της Φυσικής που ασχολείται με την συμπεριφορά των φυσικών σωμάτων, καθώς και με τα αποτελέσματα που προκαλούν δυνάμεις όταν και όσο ασκούνται σ΄ αυτά.

Σημασία

Η μηχανική ήταν ο πρώτος κλάδος της φυσικής. Αποτελεί μία μεγάλη πηγή γνώσης για τον φυσικό κόσμο.

Επίσης αποτελεί κεντρικό μέρος της Τεχνολογίας. Δηλαδή: Πώς να εφαρμόσουμε αυτή τη γνώση για ανθρώπινα χρήσιμους σκοπούς. Με αυτή τη λογική ο κλάδος είναι συχνά γνωστός σαν Εφαρμοσμένη μηχανική της φυσικής (διαφέρει από την Εφαρμοσμένη μηχανική που αφορά διάφορους κλαδους όχι άμεσης σχέσης με τη Φυσική όπως Χημική μηχανική).

Κλασσική έναντι Κβαντικής

Ο κλάδος της μηχανικής χωρίζεται κυρίως στην Κλασσική μηχανική και την Κβαντική Μηχανική.

Ιστορικά, η κλασική μηχανική υπήρξε πρώτη ενώ οι κβαντομηχανική είναι σχετικά πρόσφατη ανακάλυψη. Η κλασική μηχανική είναι παλιότερη απ' την γραπτή ιστορία, ενώ η κβαντομηχανική δεν υπήρχε πριν το 1900. Και οι δύο θεωρούνται ότι αποτελούν την πιο ασφαλή γνώση που υπάρχει για τον φυσικό κόσμο.

H κβαντική μηχανική είναι, τουλάχιστον επίσημα, ευρύτερου πεδίου και μπορεί να φανεί ότι εμπεριέχει την κλασική μηχανική σαν ένα υποτομέα που εφαρμόζεται υπό περιορισμένες συνθήκες. Αν η σχετική επιστήμη ερμηνευτεί σωστά, δεν υπάρχει αντίθεση ή σύγκρουση μεταξύ των δύο εννοιών με την κάθε μια να αναφέρεται σε συγκεκριμένες καταστάσεις. Ενώ είναι αλήθεια ότι ιστορικά η κβαντική μηχανική έχει φανεί σαν να ξεπέρασε την κλασική, αυτό αληθεύει μόνο στο υποθετικό ή θεμελιώδες επίπεδο της φυσικής. Για πρακτικά προβλήματα η κλασική μηχανική είναι ικανή να λύσει προβλήματα που είναι ακατόρθωτα δύσκολα στην κβαντομηχανική και συνεπώς παραμένει χρήσιμη και συχνά εφαρμοζόμενη.

Αϊνστάιν έναντι Νεύτωνα

Ανάλογα με το θέμα «κλασική εναντίον κβαντικής» , οι θεωρίες της ειδικής και γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν έχουν επεκτείνει το πεδίο της μηχανικής πέρα από την μηχανική του Νεύτωνα και του Γαλιλαίου και έκαναν μικροδιορθώσεις σε αυτές. Σχετικιστικές διορθώσεις χρειάζονταν επίσης καί για την κβαντομηχανική, αν και η σχετικότητα κατηγοριοποιείται σαν κλασική θεωρία.

Δεν υπάρχουν αντιφάσεις ή συγκρούσεις μεταξύ των δύο, εφ' όσον λαμβάνονται προσεκτικά υπόψη οι συγκεκριμένες περιστάσεις. Ακριβώς όπως κάποιος θα μπορούσε, υπό τη χαλαρότερη πιθανή έννοια, να χαρακτηρίσει την κλασική μηχανική ότι εξετάζει τα "μεγάλα" σώματα (όπως μέρη μηχανών), και οι κβαντικοί μηχανικοί με "μικρά" (όπως τα σωματίδια), θα μπορούσε να ειπωθεί ότι ο σχετικιστική μηχανική εξετάζει τα "γρήγορα" σώματα, και ή μη-σχετιστικές μηχανικές τα "αργά". Παρόλα αυτά, "γρήγορος" και "αργός" είναι σχετικές έννοιες που εξαρτώνται με την κατάσταση της κίνησης του παρατηρητή. Αυτό σημαίνει ότι όλες οι «μηχανικές», είτε κλασικές είτε κβαντικές, πρέπει πιθανών να περιγραφούν σχετιστικά. Αφ' ετέρου, ως παρατηρητής, κάποιος μπορεί συχνά να δημιουργήσει την κατάσταση κατά τέτοιο τρόπο ώστε κάτι τέτοιο να μην απαιτείται.

Τύποι μηχανικών σωμάτων

Συνεπώς στη μηχανική ο πολυ-χρησιμοποιημένος όρος σώμα πρέπει να αντιπροσωπεύει μια ευρεία ποικιλία αντικειμένων, συμπεριλαμβανομένων των σωματιδίων, των βλημάτων, των διαστημικών σκαφών, των αστεριών, των μερών των μηχανών, μέρη στερεών, μέρη ρευστών (αέρια και υγρά) κλπ.

Άλλες διακρίσεις μεταξύ διαφόρων υποκατηγοριών της μηχανικής, αφορούν τη φύση των σωμάτων που περιγράφονται. Τα σωματίδια είναι σώματα με μικρή (γνωστή) εσωτερική δομή, που αντιμετωπίζονται ως μαθηματικά σημεία στην κλασική μηχανική. Τα άκαμπτα σώματα έχουν μέγεθος και σχήμα, αλλά διατηρούν μια απλότητα κοντά σε αυτή του σωματιδίου, προσθέτοντας απλά μερικούς αποκαλούμενους βαθμούς ελευθερίας, όπως ο προσανατολισμός στο διάστημα.

Διαφορετικά, τα σώματα μπορεί να είναι ημισυμπαγή, δηλ. ελαστικά, ή μη-στερεά, δηλ. ρευστά. Αυτά τα θέματα έχουν και κλασσικά και κβαντικά τμήματα μελέτης.

Παραδείγματος χάριν: Η κίνηση ενός διαστημικού σκάφους, σχετικά με την τροχιά και την τοποθέτησή της (περιστροφή), περιγράφεται από τη σχετικιστική θεωρία της κλασσικής μηχανικής. Ενώ οι ανάλογες κινήσεις ενός ατομικού πυρήνα περιγράφονται από την κβαντική μηχανική.

Υποκατηγορίες της μηχανικής

Ακολουθούν δύο κατάλογοι διάφορων θεμάτων που μελετώνται στον κλάδο της μηχανικής

Σημειώστε ότι υπάρχει επίσης η "θεωρία των πεδίων" που αποτελεί έναν ξεχωριστό τομέα στη φυσική, και αντιμετωπίζεται επισήμως ξεχωριστά από τη μηχανική, είτε για κλασικά πεδία είτε κβαντικά. Αλλά στην πράξη, τα θέματα που ανήκουν στη μηχανική και τους τομείς της αναμειγνύονται. Κατά συνέπεια, παραδείγματος χάριν, δυνάμεις που δρουν στα σωματίδια προέρχονται συχνά από πεδία (ηλεκτρομαγνητικά ή βαρύτητικά), και τα σωματίδια παράγουν πεδία δρώντας ως πηγές. Στην πραγματικότητα, στην κβαντική μηχανική, τα ίδια τα σωματίδια είναι πεδία, όπως περιγράφεται θεωρητικά από τη λειτουργία των κυμάτων της κβαντομηχανικής.

Κλασική μηχανική

Οι εξής τομείς διαμορφώνουν την Κλασική μηχανική:

Κβαντική Μηχανική

Οι εξής τομείς κατηγοριοποιούνται στην κβαντική μηχανική: