مکانیک سیالات: اصول و کاربردها

مکانیک سیالات شاخه ای از فیزیک است که سیالات و نیروهای وارد بر آنها را مطالعه می کند. سیال به هر گاز یا مایعی گفته می شود که شکل ظرف خود را تطبیق دهد. مکانیک سیالات دارای شاخه های زیر است: استاتیک سیالات، مطالعه رفتار سیالات ساکن. سینماتیک سیالات، مطالعه سیالات در حرکت. و دینامیک سیالات، مطالعه تأثیر نیروها بر حرکت سیال است.

این نقش اساسی در رشته های مختلف مهندسی، از مهندسی عمران و محیط زیست گرفته تا مهندسی هوافضا و مکانیک دارد. این مطلب به بررسی کاربردهای متنوع مکانیک سیالات به خصوص در مهندسی می‌پردازد و اهمیت آن را در تجزیه و تحلیل و طراحی سیستم‌های مربوط به جریان سیال برجسته می‌کند. از شبکه های لوله تا آیرودینامیک، مکانیک سیالات ابزارها و دانش ضروری را برای بهینه سازی عملکرد، اطمینان از ایمنی و ایجاد نوآوری در طیف گسترده ای از صنایع در اختیار مهندسان قرار می دهد.

تاریخچه مکانیک سیالات

مکانیک سیالات، علمی مربوط به پاسخ سیالات به نیروهای وارد شده بر آنها. این شاخه ای از فیزیک کلاسیک با کاربردهای بسیار مهم در دوره های آموزشگاه فنی نظیر مهندسی هیدرولیک و هوانوردی، مهندسی شیمی، هواشناسی و جانورشناسی است.

آشناترین سیال البته آب است و دایره المعارفی در قرن نوزدهم احتمالاً به این موضوع تحت عناوین جداگانه هیدرواستاتیک، علم آب در حالت سکون و هیدرودینامیک، علم آب در حرکت پرداخته است. ارشمیدس هیدرواستاتیک را در حدود 250 سال قبل از میلاد تأسیس کرد، زمانی که طبق افسانه، از حمام خود بیرون پرید و برهنه در خیابان های سیراکوز دوید و فریاد “اورکا!” از آن زمان تاکنون توسعه کمی داشته است. از سوی دیگر، پایه‌های هیدرودینامیک تا قرن هجدهم، زمانی که ریاضیدانانی مانند لئونارد اویلر و دانیل برنولی شروع به کشف پیامدهای اصول دینامیکی که نیوتن برای سیستم‌ها بیان کرده بود، برای محیطی تقریباً پیوسته مانند آب، پایه‌گذاری نکردند. از ذرات مجزا تشکیل شده است. کار آنها در قرن نوزدهم توسط چندین ریاضیدان و فیزیکدان درجه اول، به ویژه G.G. استوکس و ویلیام تامسون در پایان قرن، توضیحاتی برای مجموعه ای از پدیده های جالب پیدا شده بود که مربوط به جریان آب از طریق لوله ها و روزنه ها، امواجی که کشتی ها در حال حرکت از طریق آب از خود به جای می گذارند، قطرات باران روی شیشه های پنجره و مواردی از این دست بود. با این حال، هنوز درک درستی از مشکلات اساسی مانند جریان آب از کنار یک مانع ثابت و اعمال نیروی کششی بر آن وجود نداشت. تئوری جریان پتانسیل، که در زمینه‌های دیگر به خوبی کار می‌کرد، نتایجی را به همراه داشت که در نرخ‌های جریان نسبتاً بالا به شدت با آزمایش تفاوت داشت. این مشکل تا سال 1904 به درستی درک نشد، زمانی که فیزیکدان آلمانی لودویگ پراندتل مفهوم لایه مرزی را معرفی کرد. حرفه پراندتل تا دوره ای که در آن اولین هواپیمای سرنشین دار توسعه یافت ادامه یافت. از آن زمان، جریان هوا به اندازه جریان آب مورد توجه فیزیکدانان و مهندسان بوده است و در نتیجه هیدرودینامیک به دینامیک سیال تبدیل شده است. اصطلاح مکانیک سیالات، همانطور که در اینجا استفاده می شود، هم دینامیک سیالات و هم موضوعی را که هنوز به طور کلی هیدرواستاتیک نامیده می شود، در بر می گیرد.

یکی دیگر از نمایندگان قرن بیستم که در اینجا به جز پراندتل شایسته ذکر است جفری تیلور انگلیسی است. تیلور در حالی که بیشتر معاصرانش توجه خود را به مسائل ساختار اتمی و مکانیک کوانتومی معطوف کرده بودند، یک فیزیکدان کلاسیک باقی ماند و او چندین اکتشاف غیرمنتظره و مهم در زمینه مکانیک سیالات انجام داد. غنای مکانیک سیالات تا حد زیادی به دلیل عبارتی در معادله اصلی حرکت سیالات است که غیرخطی است – یعنی عبارتی که سرعت سیال را دو برابر می کند. مشخصه سیستم‌هایی است که با معادلات غیرخطی توصیف می‌شوند که تحت شرایط خاصی ناپایدار می‌شوند و شروع به رفتاری می‌کنند که در نگاه اول کاملاً آشفته به نظر می‌رسد. در مورد سیالات رفتار هرج و مرج بسیار رایج است و به آن آشفتگی می گویند. اکنون ریاضیدانان شروع به شناسایی الگوهایی در هرج و مرج کرده‌اند که می‌توان آنها را به نحو ثمربخشی تجزیه و تحلیل کرد، و این پیشرفت نشان می‌دهد که مکانیک سیالات تا قرن بیست و یکم زمینه‌ای برای تحقیقات فعال باقی خواهد ماند.

اصول اساسی سیالات

سیالات به شکلی که همه جانشینان اویلر و برنولی فرض کرده‌اند، محیطی کاملاً پیوسته نیستند، زیرا از مولکول‌های مجزا تشکیل شده‌اند. با این حال، مولکول‌ها آنقدر کوچک هستند و به جز در گازهایی که فشار بسیار پایینی دارند، تعداد مولکول‌ها در هر میلی‌لیتر آنقدر زیاد است که نیازی به مشاهده آن‌ها به‌عنوان موجودات جداگانه نیست. مایعات کمی وجود دارند که به عنوان کریستال های مایع شناخته می شوند، که در آنها مولکول ها به گونه ای در کنار هم قرار می گیرند که خواص محیط را به صورت موضعی ناهمسانگرد می کنند، اما اکثریت قریب به اتفاق مایعات (از جمله هوا و آب) همسانگرد هستند. در مکانیک سیالات، وضعیت یک سیال همسانگرد را می‌توان با تعریف میانگین جرم آن در واحد حجم، یا چگالی (ρ)، دمای آن (T) و سرعت آن (v) در هر نقطه از فضا، و دقیقاً توصیف کرد. ارتباط بین این خواص ماکروسکوپی است و موقعیت و سرعت تک تک مولکول ها هیچ ارتباط مستقیمی ندارد.

شاید یک کلمه در مورد تفاوت بین گازها و مایعات لازم باشد، اگرچه درک تفاوت آسان تر از توصیف است. در گازها، مولکول‌ها به اندازه‌ای از هم فاصله دارند که تقریباً مستقل از یکدیگر حرکت می‌کنند، و گازها تمایل دارند تا هر حجمی را که در دسترس هستند، منبسط کنند. در مایعات، مولکول ها کم و بیش در تماس هستند و نیروهای جاذبه کوتاه برد بین آنها، آنها را منسجم می کند. مولکول‌ها خیلی سریع حرکت می‌کنند که نمی‌توانند در آرایه‌های مرتب شده‌ای که مشخصه‌ی جامدات هستند، مستقر شوند، اما نه آنقدر سریع که بتوانند از هم جدا شوند. بنابراین، نمونه‌های مایع می‌توانند به صورت قطره یا جت با سطوح آزاد وجود داشته باشند، یا می‌توانند در فنجان‌هایی بنشینند که فقط توسط گرانش محدود شده‌اند، به نحوی که نمونه‌های گاز نمی‌توانند. چنین نمونه هایی ممکن است در زمان تبخیر شوند، زیرا مولکول ها یکی یکی سرعت کافی برای فرار از سطح آزاد را می گیرند و جایگزین نمی شوند. با این حال، طول عمر قطرات و جت های مایع معمولاً به اندازه ای طولانی است که تبخیر نادیده گرفته شود.

دو نوع تنش ممکن است در هر محیط جامد یا سیال وجود داشته باشد، و تفاوت بین آنها ممکن است با اشاره به آجری که بین دو دست نگه داشته شده است نشان داده شود. اگر نگهدارنده دست های خود را به سمت یکدیگر حرکت دهد، روی آجر فشار وارد می کند. اگر یک دست خود را به سمت بدن خود و دست دیگر را از آن دور کند، به آن تنش برشی وارد می کند. یک ماده جامد مانند آجر می تواند هر دو نوع تنش را تحمل کند، اما سیالات، بنا به تعریف، هر چقدر هم که این تنش ها کوچک باشند، در برابر تنش های برشی تسلیم می شوند. آنها این کار را با سرعت تعیین شده توسط ویسکوزیته سیال انجام می دهند. این خاصیت، که بعداً در مورد آن بیشتر گفته خواهد شد، معیاری از اصطکاک است که هنگام لغزش لایه های سیال مجاور روی یکدیگر ایجاد می شود. نتیجه این است که تنش های برشی در سیال در حالت سکون و در حالت تعادل در همه جا صفر هستند و از این نتیجه می توان نتیجه گرفت که فشار (یعنی نیروی در واحد سطح) که عمود بر تمام سطوح سیال عمل می کند صرف نظر از جهت آنها یکسان است. (قانون پاسکال). برای یک سیال همسانگرد در حالت تعادل، تنها یک مقدار فشار محلی (p) مطابق با مقادیر بیان شده برای ρ و T وجود دارد. این سه کمیت توسط چیزی که معادله حالت سیال نامیده می شود به هم مرتبط می شوند.

کاربردهای مکانیک سیالات

مکانیک سیالات هم در فعالیت های روزمره و هم در طراحی سیستم های مدرن دوره مهندسی مکانیک ، از جاروبرقی گرفته تا و هواپیماهای مافوق صوت به طور گسترده ای استفاده می شود.

برای شروع، مکانیک سیالات نقشی حیاتی در بدن انسان ایفا می کند. قلب دائماً از طریق شریان‌ها و سیاهرگ‌ها خون را به تمام قسمت‌های بدن انسان پمپاژ می‌کند و ریه‌ها محل جریان هوا در جهت‌های متناوب هستند. تمام قلب های مصنوعی، ماشین های تنفسی و سیستم های دیالیز با استفاده از دینامیک مایعات طراحی شده اند.

یک خانه معمولی، از برخی جهات، سالن نمایشگاهی است که مملو از کاربردهای مکانیک سیالات است. سیستم های لوله کشی آب سرد، گاز طبیعی و فاضلاب برای یک خانه فردی و کل شهر اساساً بر روی مکانیک سیالات طراحی شده اند. همین امر در مورد شبکه لوله کشی و کانال کشی سیستم های گرمایش و تهویه مطبوع نیز صادق است. یخچال شامل لوله هایی است که مبرد از طریق آنها جریان می یابد، یک کمپرسور که مبرد را تحت فشار قرار می دهد و دو مبدل حرارتی که مبرد گرما را جذب و دفع می کند. مکانیک سیالات نقش بسزایی در طراحی تمامی این اجزا دارد. حتی عملکرد شیرهای معمولی نیز بر اساس مکانیک سیالات است.

ما همچنین می توانیم کاربردهای متعددی از مکانیک سیالات را در یک خودرو ببینیم. تمام اجزای مرتبط با حمل و نقل سوخت از مخزن سوخت به سیلندرها، خط سوخت، پمپ سوخت، انژکتورهای سوخت یا کاربراتورها و همچنین اختلاط سوخت و هوا در سیلندرها و تصفیه گازهای حاصل از احتراق. در لوله های اگزوز، با استفاده از مکانیک سیالات تجزیه و تحلیل می شوند. مکانیک سیالات همچنین در طراحی سیستم گرمایش و تهویه مطبوع، ترمزهای هیدرولیک، فرمان برق، گیربکس اتوماتیک و سیستم های روغن کاری، سیستم خنک کننده بلوک موتور از جمله رادیاتور و پمپ آب و حتی لاستیک ماشین. شکل ساده و براق خودروهای مدل اخیر ناشی از تلاش‌ها برای به حداقل رساندن کشش با استفاده از تجزیه و تحلیل جریان گسترده بر روی سطوح است.

در مقیاس وسیع‌تر، مکانیک سیالات نقش مهمی در طراحی و آنالیز هواپیما، قایق، زیردریایی، موشک، موتور جت، توربین‌های بادی، دستگاه‌های زیست پزشکی، خنک‌سازی قطعات الکترونیکی و حمل و نقل ایفا می‌کند.

آب، نفت خام و گاز طبیعی است. همچنین در طراحی ساختمان‌ها، پل‌ها و حتی تابلوهای تبلیغاتی برای اطمینان از اینکه سازه‌ها می‌توانند بارگذاری باد را تحمل کنند، در نظر گرفته می‌شود. بسیاری از پدیده‌های طبیعی مانند چرخه باران، الگوهای آب و هوا، بالا آمدن آب‌های زیرزمینی به بالای درختان، بادها، امواج اقیانوس‌ها و جریان‌ها در آب‌های بزرگ نیز توسط اصول مکانیک سیالات کنترل می‌شوند.

کاربردهای مکانیک سیالات در مهندسی

مکانیک سیالات نقش مهمی در تجزیه و تحلیل و طراحی شبکه های آموزش پایپینگ و سیستم های هیدرولیک ایفا می کند. به عنوان مثال، در مهندسی عمران، برای درک شبکه های توزیع آب، سیستم های فاضلاب و سیستم های آبیاری حیاتی است. با به کارگیری اصولی مانند معادله برنولی و بقای جرم و تکانه، مهندسان می توانند نرخ جریان، فشار و سرعت در شبکه های لوله را تعیین کنند. این اطلاعات برای اندازه‌گیری لوله‌ها، انتخاب پمپ‌ها و اطمینان از عملکرد کارآمد و قابل اعتماد سیستم‌ها ضروری است. در مهندسی مکانیک، مکانیک سیالات جزء لاینفک طراحی سیستم‌های هیدرولیک مورد استفاده در کاربردهای مختلف، از جمله ماشین‌آلات سنگین، سیستم‌های خودرو، و ارابه‌های فرود هواپیما است. مطالعه مکانیک سیالات به مهندسان کمک می کند تا نیروها و فشارهای مربوطه را تعیین کنند و عملکرد و ایمنی مطلوب را تضمین کنند. اندازه اجزای هیدرولیک مانند پمپ ها، شیرها و محرک ها را برای دستیابی به عملکرد و کارایی مورد نظر امکان پذیر می کند .

آیرودینامیک، کاربرد تخصصی مکانیک سیالات، بر مطالعه جریان سیال در اطراف اجسام، به ویژه هواپیماها تمرکز دارد. درک تعامل پیچیده بین هوا و سطوح هواپیما در طراحی هواپیماهای کارآمد و پایدار بسیار مهم است. اصول مکانیک سیالات مهندسان را در تجزیه و تحلیل ویژگی های بالابر، کشش و پایداری یک هواپیما راهنمایی می کند. با مطالعه مفاهیمی مانند لایه‌های مرزی، طراحی ایرفویل و جداسازی جریان، مهندسان می‌توانند شکل بال‌ها، بدنه و سایر اجزا را برای به حداقل رساندن کشش و به حداکثر رساندن بالابر بهینه کنند. این منجر به بهبود راندمان سوخت و مانور پذیری می شود. علاوه بر این، مکانیک سیالات نقشی حیاتی در سیستم‌های رانش هواپیما دارد. مهندسی احتراق و رانش بر اصول مکانیک سیالات برای تجزیه و تحلیل جریان گازها از طریق موتورهای جت، توربوپراپ ها و موشک ها متکی است. با درک ترمودینامیک و جریان سیال در این سیستم‌ها، مهندسان می‌توانند عملکرد موتور را بهینه کنند، راندمان سوخت را افزایش دهند و انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش دهند.

مکانیک سیالات در مهندسی سواحل و محیط زیست، جایی که رفتار آب و سایر سیالات در رابطه با سازه‌های ساحلی، فرسایش و کنترل آلودگی مطالعه می‌شود، ابزاری است. درک دینامیک امواج، جریان ها و جزر و مد برای طراحی سازه های حفاظتی ساحلی، بندرها و سکوهای دریایی بسیار مهم است. اصول مکانیک سیالات به مهندسان این امکان را می دهد که نیروهای وارد بر این سازه ها را تجزیه و تحلیل کنند، پایداری آنها را ارزیابی کنند و تأثیر امواج و جریان ها را بر عملکرد آنها تعیین کنند. در مهندسی محیط زیست، مکانیک سیالات نقش کلیدی در مطالعه فرآیندهای تصفیه آب و فاضلاب دارد. مهندسان از اصول دینامیک سیالات برای طراحی سیستم های کارآمد برای اختلاط، ته نشینی و فیلتراسیون استفاده می کنند. با درک رفتار سیال در تصفیه خانه ها، مهندسان می توانند فرآیندهایی را برای حذف آلاینده ها، بهبود کیفیت آب و تضمین پایداری زیست محیطی بهینه کنند.

مکانیک سیالات یک جنبه ضروری در مهندسی خودرو است، به ویژه در طراحی وسایل نقلیه و آیرودینامیک آنها. درک جریان هوا در اطراف یک وسیله نقلیه برای به حداقل رساندن کشش، بهبود راندمان سوخت و افزایش پایداری بسیار مهم است. با به کارگیری اصول مکانیک سیالات، مهندسان می توانند شکل بدنه خودرو، از جمله خطوط، زوایای و ویژگی های جریان هوا مانند اسپویلرها و دیفیوزرها را بهینه کنند. این بهینه‌سازی مقاومت هوا را کاهش می‌دهد و به وسایل نقلیه اجازه می‌دهد با کارایی بیشتری در هوا حرکت کنند و عملکرد کلی آنها را بهبود بخشد.

علاوه بر این، مکانیک سیالات در سیستم های خنک کننده، مانند طراحی رادیاتور و مدیریت جریان هوا، برای اطمینان از تنظیم مناسب دمای موتور، نقش دارد. آیرودینامیک خودرو در ورزش‌های موتوری نیز حیاتی است، جایی که تغییرات کوچک در طراحی آیرودینامیک می‌تواند تاثیر قابل‌توجهی بر سرعت و هندلینگ داشته باشد. از طریق آزمایش تونل باد و شبیه‌سازی‌های محاسباتی بر اساس اصول مکانیک سیالات، مهندسان می‌توانند ویژگی‌های آیرودینامیکی اتومبیل‌های مسابقه را تنظیم کنند و آن‌ها را قادر می‌سازند تا به سرعت‌های بالاتر، پیچیدن بهتر، و عملکرد کلی بهبود یافته در مسیر دست یابند. مکانیک سیالات نقش حیاتی در سیستم های انرژی، به ویژه در تولید و استفاده از منابع مختلف انرژی ایفا می کند. در تولید برق، اصول مکانیک سیالات در طراحی توربین ها، پمپ ها و سیستم های هیدرولیک برای نیروگاه های برق آبی به کار می رود. مطالعه جریان سیال به مهندسان کمک می کند تا طرح های توربین را برای استخراج حداکثر انرژی از جریان آب یا بخار بهینه کنند.

مکانیک سیالات همچنین نقش مهمی در نیروگاه های حرارتی ایفا می کند، جایی که در تجزیه و تحلیل جریان سیال و انتقال حرارت در بویلرها، کندانسورها و سیستم های خنک کننده استفاده می شود. مهندسان از اصولی مانند حفظ جرم، انرژی و تکانه برای بهینه سازی این سیستم ها، بهبود کارایی و کاهش تلفات انرژی استفاده می کنند. سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر، مانند توربین‌های بادی و سیستم‌های قدرت جزر و مد، به شدت به مکانیک سیالات برای مهار انرژی از جریان سیال متکی هستند. درک ویژگی های جریان باد و آب در طراحی سیستم های کارآمد و قابل اعتماد برای تولید انرژی های تجدیدپذیر بسیار مهم است.

موارد استفاده در پروژه های مهندسی

1. یخچال و تهویه مطبوع: سیالات مورد استفاده در یخچال و کولر گازی به عنوان مبرد شناخته می شود. مبرد گرمای اواپراتور را که در دمای پایینی است جذب می کند و آن گرما را در جو که در دمای بالا است پخش می کند. در دستگاه های تهویه مطبوع، مبرد گرمای اتاق را جذب می کند و آن را به جو پرتاب می کند و اتاق را خنک نگه می دارد. کل فرآیند یخچال و تهویه مطبوع به استفاده از مبرد بستگی دارد.

2. پرواز هوایی: یکی از معمولی ترین کاربردهای اصل برنولی پرواز با هواپیما است. بال هواپیما از بالا خمیده و از پایین صاف است. هنگام حرکت در آسمان، هوای پایین به آرامی حرکت می‌کند و فشار بیشتری در پایین ایجاد می‌کند و به هوای بالا اجازه می‌دهد سریع‌تر حرکت کند که فشار کمتری ایجاد می‌کند. این بالابر ایجاد می کند که به هواپیماها اجازه پرواز می دهد. یک هواپیما نیز توسط کشش گرانش که در آن صورت ها بلند می شوند، می کشند و رانش می کنند، عمل می کند. تراست نیرویی است که به هواپیما اجازه می دهد به جلو حرکت کند در حالی که درگ مقاومت هوا است که با نیروی رانش مخالف است.

3. قایقرانی: اصل بادبان مانند بال هواپیما است. قایق های بادبانی دو قسمت دارند: بادبانی که به سمت شمال می رود و کیل که در جهت مخالف است. هنگامی که حرکات باد در یک طرف باشد بادبان را پر می کند در حالی که هوای جریان در طرف دیگر سریعتر حرکت می کند و نمی تواند به همان اندازه فشار وارد کند و بنابراین بادبان نیرویی عمود بر جهت باد دریافت می کند. معمولاً این کار قایق را در برابر باد هل نمی‌دهد، اما هسته قایق دوباره در برابر حرکت افقی مقاومت می‌کند، به طوری که قایق فقط در جهت جلو حرکت می‌کند، مشروط بر اینکه نیروهای ترکیبی که قایق را عمود بر باد فشار می‌دهند، بیشتر از نیروی باد کل قایق و بادبان را به سمت عقب هل می دهد.

4. پمپ و موتور: پمپ وسیله ای است که برای حرکت سیال ساخته می شود و با ایجاد اختلاف فشار انجام می شود و باعث می شود سیال از ناحیه پر فشار به فشار کم حرکت کند. رویه آن هم بر اساس اصول پاسکال و هم برنولی است.

موتور هیدرولیک مکمل چرخشی سیلندر هیدرولیک است. از نظر مفهومی، یک موتور هیدرولیک باید با پمپ هیدرولیک سازگار باشد، زیرا عملکرد مخالف را انجام می دهد. با این حال، اکثر پمپ های هیدرولیک نمی توانند به عنوان موتور هیدرولیک عمل کنند زیرا نمی توانند به عقب هدایت شوند. موتور هیدرولیک معمولاً برای فشار کاری در دو طرف موتور طراحی می شود.

5. سیستم ترمز هیدرولیک: سیستم ترمز هیدرولیک روشی برای متوقف کردن یک جسم با اعمال انرژی است. ترمزهای هیدرولیک زمانی کار می کنند که پدال ترمز را فشار می دهید، پیستون کوچک را فشار می دهد. پیستون فشار را روی روغن ترمز منتقل می کند که لنت های ترمز روی پیستون های بزرگ را فشار می دهد. لنت های ترمز در تماس با درام ترمز قرار می گیرند و سرعت خودرو را کاهش می دهند و در نهایت آن را متوقف می کنند.

6. جک: جک وسیله ای است که برای بلند کردن بارهای سنگین از نیرو استفاده می کند. اصل کار به اصل پاسکال بستگی دارد. معمولاً از رزوه پیچ یا سیلندر هیدرولیک تشکیل شده است. جک ها را می توان بر اساس نوع نیرویی که به کار می برند طبقه بندی کرد: مکانیکی یا هیدرولیکی. جک‌های خودرو و جک‌های خانگی که معمولاً به عنوان جک‌های مکانیکی شناخته می‌شوند، می‌توانند تجهیزات سنگین را بلند کنند و بر اساس ظرفیت بالابری آن‌ها رتبه‌بندی می‌شوند. جک های هیدرولیک قوی تر در نظر گرفته می شوند زیرا می توانند بارهای سنگین تر را بالاتر ببرند و شامل جک های بطری و جک های کف می شوند.

7. چرخ آب: یکی از موفقیت‌های بزرگ مهندسی دوران باستان، توسعه چرخ آب بود که شامل مجموعه‌ای از سطل‌ها در امتداد لبه بود که امکان بالا آمدن آب از رودخانه زیر و پراکنده شدن آن به نقاط دیگر را فراهم می‌کرد. در سال 70 قبل از میلاد، مهندسان رومی تصدیق کردند که می‌توانند از نیروی خود آب برای چرخاندن چرخ‌ها و آسیاب غلات استفاده کنند.

8. فن و توربین خانگی: توربین ماشینی است که انرژی جنبشی سیالات را با عبور جریان سیال از میان سری فن ها یا پره های متحرک به انرژی مکانیکی قابل استفاده تبدیل می کند. یک فن معمولی خانگی مدلی از توربین به صورت معکوس است: فن به سیال عبوری (هوا) انرژی اضافه می کند، در حالی که یک توربین انرژی را از سیالات عبوری (هوا و آب) استخراج می کند. همچنین از این توربین ها برای استخراج نیرو از سدهای برق آبی استفاده می شود.

9. سدهای برق آبی: بیشتر نمونه های دراماتیک مکانیک سیالات در عمل سدهای برق آبی هستند. آنها از نظر اندازه بزرگ هستند و از نظر قدرت به همان اندازه چشمگیر هستند که می توانند با استفاده از منابع کاملاً تجدید پذیر تولید کنند. اب. سازه فولادی و بتنی سد برق آبی میلیون ها تن آب را از رودخانه یا بدنه دیگر نگه می دارد. نزدیکترین آب به بالای آن دارای انرژی بالقوه عظیمی است. نیروی هیدروالکتریکی با اجازه دادن به جریان های کنترل شده این آب به سمت پایین تولید می شود و انرژی جنبشی را جمع آوری می کند که سپس به توربین های تغذیه کننده منتقل می شود که به نوبه خود نیروی الکتریکی ایجاد می کند.

10. کمپرسور هوا: کمپرسور هوا هوا را به تفنگ میخ می‌رساند. کمپرسور هوا وسیله‌ای است که قدرت را به طور کلی از یک موتور الکتریکی، یک موتور دیزلی یا یک موتور بنزینی به انرژی جنبشی با فشرده‌سازی و تحت فشار قرار دادن هوا تبدیل می‌کند که می‌تواند در انفجارهای سریع آزاد شود. روش های متعددی برای فشرده سازی هوا وجود دارد که به انواع جابجایی مثبت یا جابجایی منفی تقسیم می شوند.

یک تکنیک کمپرسور هوا برای پر کردن سیلندرهای گاز هوای پاک با فشار بالا، برای پر کردن لاستیک‌ها و تولید حجم زیادی از هوای با فشار متوسط برای فرآیندهای صنعتی در مقیاس بزرگ (مانند اکسیداسیون برای کک‌سازی نفت یا سیستم‌های پاکسازی کیسه‌های کارخانه سیمان) استفاده می‌شود.

11. چرخ دنده ها: چرخ دنده ها بخش مهمی از خودروهای مدل هستند، بدون آن ها نمی توانند چرخش موتور را به چرخ ها منتقل کنند (البته مگر اینکه از نوار لاستیکی استفاده کنند!).

آنها کاری بیش از انتقال چرخش موتور انجام می دهند، زیرا آنها مسئول تطبیق گشتاور/قدرت موجود موتور برای ایجاد مخلوطی از شتاب و سرعت به سایر قسمت های خودرو هستند.

12. سرسره یا ترن هوایی: ماشین‌های ساحلی توسط نیروی جاذبه به حرکت در می‌آیند. در ابتدای سواری، ماشین ترن هوایی در هوا بالاتر می رود، انرژی پتانسیل آن افزایش می یابد و سپس از بالای تپه رها می شود و گرانش با تبدیل انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی، آن را به سمت پایین می کشد.

سرسره های آبی دقیقاً بر اساس همان اصل کار می کنند. بالا رفتن از پله ها مقدار مشخصی از انرژی پتانسیل ایجاد می کند، این انرژی با سر خوردن به سمت پایین به انرژی جنبشی تبدیل می شود. جدای از ارتفاع کل، تفاوت اصلی بین سرسره های آبی مختلف در نحوه استفاده از انرژی بالقوه است. این با شکل اسلاید تعیین می شود.

ماشین‌ها دارای چرخ‌هایی هستند که در طول مسیر می‌چرخند و اصطکاک بین ماشین و مسیر را کاهش می‌دهند، بنابراین ماشین می‌تواند به حرکت خود ادامه دهد. سرسره های آبی دارای جریان مداوم آب هستند که از بالا به پایین جریان دارد. آب لام را روان می کند تا اصطکاک بین سرسره و بدن شما به حداقل برسد.

منابع:

https://www.hilarispublisher.com/open-access/applications-of-fluid-mechanics-in-engineering-from-pipe-networks-to-aerodynamics-98401.html

https://mechanicalengineering.blog/application-areas-of-fluid-mechanics/

https://www.iamcivilengineer.com/2014/10/applications-of-fluid-mechanics-in.html