زیرشاخه‌ای از مکانیک سیالات
กลศาสตร์ของไหล เป็นสาขาวิชาการย่อยของกลศาสตร์ของไหล ที่ศึกษาการเคลื่อนที่ของของไหล ซึ่งหมายรวมถึงของเหลวและแก๊ส โดยพลศาสตร์ของไหลยังแบ่งแยกย่อยออกเป็นหลายสาขาวิชา เช่น อากาศพลศาสตร์ ที่ศึกษาการเคลื่อนที่ของอากาศ และพลศาสตร์ของเหลวที่ศึกษาการเคลื่อนที่ของของเหลว เราใช้พลศาสตร์ของไหลในหลายวิธี เช่นในการคำนวณแรงและโมเมนต์บนอากาศยาน ในการหาอัตราการไหลของมวลของปิโตรเลียมผ่านท่อ คาดคะเนแบบรูปของสภาพอากาศ ทำความเข้าใจเนบิวลาและสสารระหว่างดาว ตลอดจนงานคอมพิวเตอร์กราฟิกส์ == โมเดลของของไหลในอุดมคติ == ของไหลในอุดมคติ คือ ของไหลที่มีความสมบูรณ์แบบที่ทำให้วิเคราะห์ง่าย แต่เป็นของไหลที่หายากในความเป็นจริงจึงเป็นของไหลในอุดมคติโดยการประมาณเท่านั้น ของไหลในอุดมคติมีคุณสมบัติต่อไปนี้คือ 1.เป็นของไหลที่ใช้ความดันกดให้ปริมาตรลดลงไม่ได้ ทั้งนี้หมายความว่าความหนาแน่นของของไหลไม่ขึ้นอยู่กับความดัน และของเหลวแทบทั้งหมดมีความหนาแน่นที่ไม่เปลี่ยนค่าไปตามความดัน2.การไหลเป็นไปอย่างสม่ำเสมอ หมายความว่าความเร็วของของไหลที่จุดใดๆภายในของไหลมีค่าคงที่ ณ จุดนั้นๆแต่ถ้าเราเปลี่ยนที่จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดภายในของไหล ความเร็วอาจเปลี่ยนไปได้ แต่ความเร็วที่จุดใดๆก็ตามจะต้องมีค่าคงที่สม่ำเสมอ3.การไหลไม่หมุนวน หมายความว่าของไหลไม่มีความเร็วเชิงมุม4.ของไหลไม่มีความหนืดระหว่างชั้นของไหลที่ติดกัน == สมการต่อเนื่อง Equation of continuity == การเคลื่อนที่ของของไหลด้วยวิธีการเขียนเวกเตอร์ความเร็วของของไหลที่แต่ละจุด มีความยาวของเวกเตอร์แทนอัตราเร็วของการไหลและทิศทางของเวกเตอร์แทนทิศทางการไหล หรืออีกวิธีหนึ่งคือการเขียนที่เราเรียกว่า สายกระแส ซึ่งคือเส้นสัมผัสกับทิศทางของความเร็ว ระยะช่องไฟระหว่างแต่ละเส้นในสายกระแสเป็นตัวระบุความมากน้อยของอัตราของการไหล ถ้าช่องไฟแคบแสดงว่าอัตราเร็วของการไหลมีค่าสุง และช่องไฟระหว่างเส้นห่างกันมากแสดงว่ามีอัตราการไหลต่ำ สำหรับการไหลแบบสม่ำเสมอ เส้นในสายกระแสจะไม่เปลี่ยนแปลง สมการต่อเนื่องนี้เป็นผลสืบเนื่องของอนุรักษ์มวล สำหรับการไหลที่มีค่าความหนาแน่นคงที่ และไม่เปลี่ยนแปลงไปตามค่าความดัน ρ 1 = ρ 2 {\displaystyle \rho _{1}\,=\rho _{2}\,} สมการทอนลงมาเป็น V 1 A 1 = V 2 A 2 {\displaystyle V_{1}A_{1}=V_{2}A_{2}} V A {\displaystyle VA} คงที่ == สมการแบร์นูลี Bernoulli’s Equation == การใช้หลักการของการอนุรักษ์มวลวิเคราะห์การไหลของของไหลในท่อทำให้เราเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างอัตราเร็วและพื้นที่หน้าตัด และเราได้ความสัมพันธ์ที่เรียกว่าสมการต่อเนื่อง ในหัวข้อต่อไปเราจะใช้หลักการอนุรักษ์พลังงานวิเคราะห์การไหลของของไหล เพื่อที่จะใช้หลักการอนุรักษ์พลังงานคือ W = Δ K + Δ U {\displaystyle W=\Delta K\,+\Delta U\,} ซึ่งมีความหมายว่าการถ่ายโอนพลังงานคิดได้จากงาน w ซึ่งมีค่าเท่ากับผลบวกของการเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของของไหลที่ไหลในท่อ ตามรูปข้างบนแรงภายนอกที่กระทำต่อของไหลที่อยู่ระหว่าพื้นที่หน้าตัดในระนาบ x และ y มีสองแรงคือ แรงF1 จากของไหลที่อยุ่ทางด้านซ้ายมือ และ แรง F2 จากของไหลที่อยุ่ทางด้านขวามือ F 1 = P 1 A 1 {\displaystyle F_{1}={\frac {\mathrm {P} _{1}\,}{A_{1}}}} เมื่อ ρ1 เป็นความดันของของไหลที่กระทำต่อพื้นที่ A1 ทางด้านซ้ายมือ และ F 2 = P 2 A 2 {\displaystyle F_{2}={\frac {\mathrm {P} _{2}\,}{A_{2}}}} เมื่อ ρ2 เป็นความดันของของไหลที่กระทำต่อพื้นที่ A2 จากทางด้านขวามือ แรงภายนอกที่ว่านี้ทำให้ของไหลซึ่งอยุ่ระหว่างพื้นที่หน้าตัดที่ x และ y ย้ายไปอยู่ระหว่างพื้นที่หน้าตัด x’ และ y’ ตามลำดับ ภายในช่วงเวลา∆t แรง F1ดันของไหลที่พื้นที่ A1ให้ปลายล่างของไหลเคลื่อนที่ตามแนวระดับได้เป็นระยะสูงสุด ∆L1 ดังนั้น งานหรือพลังงานที่ถ่ายโอนให้ของไหลในช่วงที่พิจารณาเท่ากับ W 1 = F 1 Δ L 1 = P 1 A 1 Δ L 1 {\displaystyle W_{1}=F_{1}\Delta L_{1}\,=\mathrm {P} _{1}\,A_{1}\Delta L_{1}\,} ภายใน ∆t เดียวกัน ของไหลในท่อถูกดันทำให้ส่วนปลายด้านบนเคลื่อนที่ ตามแนวระดับได้เป็นระยะทางสุงสุด ∆L2 ดังนั้นพลังงานที่ถ่ายโอนมีค่าเท่ากับ W 2 = F 2 Δ L 2 = P 2 A 2 Δ L 2 {\displaystyle W_{2}=F_{2}\Delta L_{2}\,=\mathrm {P} _{2}\,A_{2}\Delta L_{2}\,} แต่เนื่องจาก F2 มีทิศทางตรงกันข้ามกับ∆L2 งาน W2จึงมีเครื่องหมายลบ หมายความว่าของไหลในช่วงที่เราพิจารณามีการสูญเสียพลังงาน ดังนั้นของไหลในช่วงที่เราพิจารณาการเปลี่ยนแปลงพลังงาน W มีค่าเท่ากับ W = W 1 − W 2 {\displaystyle W=W_{1}-W_{2}} W = P 1 A 1 Δ L 1 − P 2 A 2 Δ L 2 {\displaystyle W=\mathrm {P} _{1}\,A_{1}\Delta L_{1}\,-\mathrm {P} _{2}\,A_{2}\Delta L_{2}\,} เนื่องจากความหนาแน่นไม่ได้เปลี่ยนไปเนื่องจากความดัน ดังนั้น A 1 Δ L 1 = A 2 Δ L 2 = Δ V {\displaystyle A_{1}\Delta L_{1}\,=A_{2}\Delta L_{2}=\Delta V\,} เมื่อ ∆V เป็นปริมาตรของของไหลระหว่างระนาบ X และ Y’ ดังนั้น W = Δ V {\displaystyle W=\Delta V} ถ้า ∆m เป็นมวลของปริมาตร ∆V V2 เป็นค่าความเร็วของมวล ∆m ที่เคลื่อนที่ออกจากท่อผ่านพื้นA2 V1 เป็นค่าความเร็วของมวล∆m ที่เคลื่อนที่ผ่านออกจากท่อผ่านพื้นA1ดังนั้น พลังงานจลน์ที่เปลี่ยนไปของของไหลในท่อคือ ∆k และ Δ K = Δ m V 2 2 − Δ m V 1 2 {\displaystyle \Delta K\,=\left\Delta m\,V_{2}^{2}-\left\Delta m\,V_{1}^{2}} และ พลังงานศักย์ที่เปลี่ยนไป Δ U = g h 2 − g h 1 {\displaystyle \Delta U\,=gh_{2}-gh_{1}} ในเมื่อ h1และ h2 เป็นความสุงสุดของจุดศูนย์กลางของพื้นที่ A2และA1 วัดจากระดับพื้นตามแนวราบพลังงานที่ถ่ายโอนนี้มีค่าเท่ากับการเปลี่ยนแปลงของพลังงานรวม เราสามารถจัดรูปได้ใหม่เป็น Δ V = Δ m V 2 2 − Δ m V 1 2 + {\displaystyle \Delta V\,=\left\Delta m\,V_{2}^{2}-\left\Delta m\,V_{1}^{2}+} = + g {\displaystyle =\left+\leftg} P 1 + ρ V 1 2 + ρ g h 1 = P 2 + ρ V 2 2 + ρ g h 2 {\displaystyle \mathrm {P} _{1}\,+\left\rho V_{1}^{2}+\rho gh_{1}\,=\mathrm {P} _{2}\,+\left\rho V_{2}^{2}+\rho gh_{2}\,} สมการมีชื่อเรียกว่า สมการแบร์นูลี เพื่อเป็นเกียรติแก่ Daniel Bernoulli นักวิทยาสตร์ชาวสวิสผู้ก่อตั้งสมการนี้เป็นคนแรกซึ่งช่วยให้เราเข้าใจปรากฏการณ์ธรรมชาติ และหลักการบินของเครื่องบินแบบต่างๆตลอดไปจนถึงการบินของนก ==== การบินและแรงยก Flight and Lift ==== เครื่องบินทั่วๆไปรวมทั่งเครื่องบินเฮลิคอร์ปเตอร์ตลอดไปจนถึงนก อาศัยแรงดันบรรยากาศที่ได้มาจตาหลักการของสมการแบร์นูลี หรือตามหลักการของปรากฏการณ์แบร์นูลี นอกจากเครื่องบินและนก เรือต่างๆ เช่น เรือไฮโดรฟอยล์ เรือฮเวอร์คราฟท์ หรือแม้แต่เรือใบหาปลายังได้อาศัยยังได้อาศัยปรากฏการณ์แบร์นูลีที่เป็นการทำกิริยาระหว่างเรือกับน้ำ อีกทั้งวัตถุโปรเจกไตล์ เช่น ลูกกอล์ฟลูกฟุตบอลที่สามารถเลี้ยวโค้ง หรือ ไซ้โค้ง ได้อย่างน่าประหลาด สามรถอธิบายตามสมการแบร์นูลีได้ว่า การที่ปีกของเครื่องบินถูกออกแบบให้พื้นที่ผิวด้านบนเป็นผิวโค้งออก ทำให้กระแสอากาศเหนือปีกเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงกว่ากระแสอากาศใต้ปีก ในรูปแสดงสายกระแสด้านบนอยู่ชิดกันมากกว่ากระแสอากาศใต้ปีก ตามหลักของสมการแบร์นูลีความดันใต้ปีกมีค่ามากว่าทำให้เกิดแรงยกที่ปีกและเครื่องบินทั้งลำลอยตัวอยู่ในอากาศได้ทั้งนี้สอดคล้องกับหลักการณ์ และทฤษฏีกฎข้อสามของนิวตัน กล่าวคือ จากการทำกิริยาระหว่างปีกเครื่องบินกับอากาศ กระแสอากาศผลักปีนขึ้นด้านบนยกเครื่องบินให้ลอยอยู่ในอากาศได้ = กลศาสตร์ของของไหล = 1.คุณสมบัติของของไหล กลศาสตร์ของไหล เป็นสาขาหนึ่งของกลศาสตร์ประยุกต์ที่เกี่ยวข้องกับพฤติกรรมของของเหลวและก๊าซสาขาวิชานี้สามารถสามารถแบ่งออกได้เป็น - สถิตศาสตร์ของไหล คือของไหลที่ไหลอยู่กับที่ ได้แก่ การศึกษาความดันในของไหล หลักของพาสคาล หลักของอาร์คีมีดิส ความดึงผิว - พลศาสตร์ของไหล คือของไหลที่มีการเคลื่อนที่ ได้แก่ การศึกษาสมการต่อเนื่อง สมการของแบร์นูลลี ความหนืด การศึกษาทางด้านนี้สามารถประยุกต์ใช้ในการออกแบบ และแก้ไขปัญหาต่างๆ เช่น การไหลของน้ำดีและน้ำเสียการไหลของน้ำในระบบท่อดับเพลิง การระบายอากาศ การดูดควันหรือสารเคมีอันตรายออกจากพื้นที่ทำงาน เป็นต้น 2.ความหนาแน่น ความหนาแน่น ของไหลนิยมใช้สัญลักษณ์ ρ หมายถึงมวลต่อหนึ่งหน่วยปริมาตร ρ = m V {\displaystyle \rho \,={\frac {m}{V}}} เมื่อ ρ คือความหนาแน่นของของไหล m มวลของของไหลหน่วยเป็น kg v เป็นปริมาตรของของไหลหน่วยเป็น m3 3.ค่าปริมาตรจำเพาะ ค่าปริมาตรจำเพาะ คือค่าปริมาตรต่อหน่วยมวล ดังนั้นค่านี้จึงเทากับส่วนกลับของความหนาแน่น V s = 1 ρ {\displaystyle V_{s}={\frac {1}{\rho \,}}} เมื่อ Vs= ปริมาตรจำเพาะของของไหลหน่วยเป็น m3/kg ρ= ความหนาแน่นของของไหลหน่วยเป็น kg/m34.