Laminarni in turbulentni pretok tekočine: opis, značilnosti in zanimivosti

Hidrodinamika je najpomembnejši del fizike, ki preučuje zakone gibanja tekočin glede na zunanje pogoje. Pomembno vprašanje, ki se obravnava v hidrodinamiki, je vprašanje določanja laminarnega in turbulentnega toka tekočine.

Kaj je tekočina?

Da bi bolje razumeli vprašanje laminarnega in turbulentnega toka tekočine, je treba začeti razmišljati, kaj je ta snov.

Fluid v fiziki je eno od treh agregatnih stanj snovi, ki lahko pod določenimi pogoji ohrani svoj volumen, vendar pa, ko je izpostavljen minimalnim tangencialnim silam, spremeni svojo obliko in začne teči. V nasprotju s trdnim telesom v tekočini ne obstajajo sile odpornosti na zunanje vplive, ki bi si prizadevale ponovno pridobiti prvotno obliko. Tekočina se razlikuje od plinov, ker je sposobna vzdrževati prostornino pri stalnem zunanjem tlaku in temperaturi.

Parametri, ki opisujejo lastnosti tekočin

Vprašanje laminarnega in turbulentnega toka je po eni strani določeno z lastnostmi sistema, v katerem se upošteva gibanje tekočine, in na drugi strani z lastnostmi tekoče snovi. Podajamo osnovne lastnosti tekočin:

• Gostota Vsaka tekočina je homogena, zato za svoje značilnosti uporablja to fizikalno količino, ki odraža količino mase tekoče snovi, ki pade na njeno enoto prostornine.
• Viskoznost Ta vrednost označuje trenje, ki se pojavi med različnimi plastmi tekočine med njegovim tokom. Ker je v tekočinah potencialna energija molekul približno enaka njihovi kinetični energiji, povzroča prisotnost neke viskoznosti v vseh realnih tekočih snoveh. Ta lastnost tekočin je vzrok za izgubo energije v toku njihovega pretoka.
• Stisljivost Z naraščanjem zunanjega tlaka vsaka tekočina zmanjša svoj volumen, vendar mora biti za te tekočine dovolj visok tlak, da se nekoliko zmanjša prostornina, ki jo zasedajo, zato se v večini praktičnih primerov to agregatno stanje šteje za nestisljivo.
• Površinska napetost. Ta vrednost se določi z delom, ki ga je treba porabiti za tvorbo enote površine tekočine. Obstoj površinske napetosti zaradi prisotnosti intermolekularnih interakcijskih sil v tekočinah in določanje njihovih kapilarnih lastnosti.

Laminarni tok

Pri proučevanju vprašanja turbulentnega in laminarnega toka najprej preučimo slednje. Če se za tekočino, ki je v cevi, ustvari razlika tlaka na koncih te cevi, se bo začela teči. Če je tok snovi umirjen in se vsaka plast giblje vzdolž gladke poti, ki ne seka linij gibanja drugih plasti, potem govorimo o režimu laminarnega toka. Med tem se vsaka molekula tekočine premika vzdolž cevi vzdolž določene poti.

Značilnosti laminarnega toka so naslednje:

• Mešanje med posameznimi plastmi tekočine ne obstaja.
• Plasti, ki so bližje osi cevi, se gibljejo z večjo hitrostjo kot tiste, ki se nahajajo na njenem obrobju. To dejstvo je posledica prisotnosti sil trenja med molekulami tekočine in notranjo površino cevi.

Primer laminarnega toka so vzporedni curki vode, ki izhajajo iz prhe. Če se laminarnemu toku doda nekaj kapljic barvila, lahko vidite, kako se potegnejo v curek, ki nadaljuje nemoten pretok, ne da bi se mešal v prostornini tekočine.

Turbulentni tok

Ta način se bistveno razlikuje od laminarnega. Turbulentni tok je kaotičen tok, v katerem se vsaka molekula premika vzdolž poljubne trajektorije, ki jo je mogoče napovedati samo v začetnem trenutku. Ta način je označen z turbulenco in krožnimi premiki majhnih volumnov v pretoku tekočine. Kljub naključnosti trajektorij posameznih molekul pa se skupni tok premika v določeno smer, to hitrost pa lahko označimo z določeno povprečno vrednostjo.

Primer turbulentnega toka je pretok vode v gorski reki. Če v takem toku izpustite barvo, lahko vidite, da se bo v začetnem trenutku pojavil curk, ki bo začel doživljati popačenja in majhne pletenine, nato pa bo izginil, mešanje celotnega volumna tekočine.

Kaj določa tok tekočine?

Režimi laminarnega ali turbulentnega toka so odvisni od razmerja dveh količin: viskoznosti tekočine, ki določa trenje med plasti tekočine, in inercialnih sil, ki opisujejo hitrost toka. Bolj viskozna snov in počasnejša hitrost pretoka je večja verjetnost laminarnega toka. Nasprotno, če je viskoznost tekočine nizka in je njena hitrost visoka, bo pretok turbulenten.

Spodaj je videoposnetek, ki jasno pojasnjuje značilnosti obravnavanih načinov pretoka snovi.

Kako določiti pretočni način?

Za prakso je to vprašanje zelo pomembno, saj je odgovor nanj povezan s posebnostmi gibanja predmetov v tekočem mediju in velikostjo energetskih izgub.

Prehod med laminarnim in turbulentnim režimom pretoka tekočine je mogoče oceniti z uporabo tako imenovanih Reynoldsovih števil. So velikost brez dimenzij in so poimenovani po imenu irskega inženirja in fizika Osborna Reynoldsa, ki je ob koncu 19. stoletja predlagal njihovo uporabo, da bi praktično določili način gibanja tekoče snovi.

Reynoldsovo število (laminarni in turbulentni tok tekočine v cevi) se lahko izračuna po naslednji formuli: Re = ρ * D * v / μ, kjer sta ρ in μ gostota oziroma viskoznost snovi, v njena povprečna stopnja pretoka, D je premer. cevi. V formuli števec odraža inercialne sile ali tok, imenovalec pa določa trenje ali viskoznost. Iz tega lahko sklepamo, da če je Reynoldsovo število za obravnavani sistem veliko, to pomeni, da tekočina teče v turbulentnem načinu in obratno, majhne Reynoldsove številke kažejo na obstoj laminarnega toka.

Specifične vrednosti Reynoldsovih števil in njihova uporaba

Kot smo že omenili, lahko Reynoldsovo število uporabimo za določanje laminarnega in turbulentnega toka. Problem je, da je odvisno od značilnosti sistema, na primer, če ima cev nepravilnosti na svoji notranji površini, potem se bo turbulentni tok vode v njem začel pri nižjih stopnjah pretoka kot v gladki.

Statistika mnogih eksperimentov je pokazala, da je, ne glede na sistem in naravo tekočine, če je Reynoldsovo število manjše od 2000, prišlo do laminarnega gibanja, če je več kot 4000, pretok postane turbulenten. Vmesne vrednosti številk (od 2000 do 4000) kažejo na prisotnost prehodnega načina.

Navedene Reynoldsove številke se uporabljajo za določanje gibanja različnih tehničnih objektov in naprav v tekočinah, za preučevanje pretoka vode skozi različne oblike, prav tako imajo pomembno vlogo pri preučevanju nekaterih bioloških procesov, na primer gibanja mikroorganizmov v človeških krvnih žilah.