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Physik

Beispiele der Strömungsmechanik in der Physik

Beispiele der Strömungsmechanik in der Physik

Im Alltag finden wir zahlreiche Anwendungen der Strömungsmechanik, ohne es zu merken. In diesem Artikel beschreiben wir einige Beispiele, um die Bedeutung von Flüssigkeiten im Maschinenbau und in unserem täglichen Leben zu zeigen.

Die Strömungsmechanik ist ein Gebiet der Physik, das das Verhalten von Flüssigkeiten im Ruhezustand oder in Bewegung untersucht. 

Ein Fluid ist ein Stoff, der kontinuierlich verformt werden kann und einen endlichen Verformungswiderstand hat. Abhängig von ihren Eigenschaften können wir die folgenden Arten von Flüssigkeiten unterscheiden:

  • Kompressible und inkompressible Flüssigkeiten

  • Newtonsche und nicht-newtonsche Flüssigkeiten

  • Ideale und echte Flüssigkeiten.

Probleme der Strömungsmechanik werden durch eine Reihe mathematischer Gleichungen wie die Kontinuitätsgleichung oder das archimedische Prinzip gelöst, die das Verhalten von Flüssigkeiten beschreiben. Diese Gleichungen werden aus den Grundgesetzen der Physik, wie dem Erhaltungssatz von Masse, Impuls und dem Impulserhaltungssatz, abgeleitet.

Aus Sicht des Maschinenbaus werden Berechnungen zur Untersuchung der Bewegung von Fluidpartikeln manchmal mit numerischen Berechnungsverfahren kombiniert. Das Ergebnis ist die sogenannte Computational Fluid Dynamics.

Beispiel 1: Blutzirkulation

Beispiele der Strömungsmechanik in der PhysikBlut ist ein Beispiel für Flüssigkeitspartikel, die sich durch das Innere unseres Körpers bewegen. Das Kreislaufsystem ist ein Beispiel der Strömungsmechanik, in der die Konzepte von Druck und Dichte für sein ordnungsgemäßes Funktionieren wesentlich sind.

Das Herz wirkt wie eine Pumpe, die Blut durch die Venen, Arterien und Kapillaren drückt.

Beispiel 2: ein Bewässerungssystem

Die Regulierung von Druck und Wasserfluss in einem Bewässerungssystem ist ein weiteres Beispiel für die Anwendung der Strömungsmechanik. Die Strömungsmechanik wird verwendet, um die Durchflussrate und den Druck zu berechnen, die erforderlich sind, um Wasser durch das System zu bewegen.

Bei den meisten Sprinklerkonstruktionen ist die oszillierende Bewegung vom Wasserdruck abhängig. Durchfluss und Druck sind auch entscheidende Elemente bei der Definition der Reichweite des Wassers.

Beispiel 3: Warum fliegen Flugzeuge?

In einem Flugzeug erzeugen die Flügel eine Kraft namens Auftrieb, die das Flugzeug anhebt und in der Luft hält. Auftrieb tritt auf, wenn sich der Luftstrom um die Flügel herum aufteilt und sich schneller über die Oberseite der Flügel bewegt als über die Unterseite. Dadurch entsteht ein Druckunterschied zwischen der Ober- und Unterseite der Flügel, der nach dem Bernouilli-Prinzip Auftrieb erzeugt.

Beispiel 4: Windmühlen

Die optimale Aerodynamik eines in einer Windkraftanlage eingesetzten Windrades wird strömungsmechanisch untersucht. Luft ist ein in Bewegung befindliches Fluid, das je nachdem, wie der Aufprall auf die Blätter der Windkraftanlage erfolgt, die Leistung variiert und die erzeugte elektrische Energie erhält.

Beispiel 5: Warum fliegt ein Heißluftballon?

Ein Heißluftballon steigt auf, weil die Luft um den Ballon herum eine höhere Dichte hat als das Gas im Ballon. Dichte ist die Masse pro Volumeneinheit, in diesem Fall ist die Außenluft schwerer als die Luft im Inneren des Ballons, die zum Aufsteigen neigt.

Die heiße Luft im Inneren des Ballons übt einen nach außen gerichteten Druck auf die Ballonwände aus, und dieser Druck ist größer als die Schwerkraft, die den Ballon nach unten zieht.

Der Druckunterschied sorgt dafür, dass der Ballon in der Luft bleibt.

Beispiel 6: Der hydraulische Kreislauf eines Kernkraftwerks

Beispiele der Strömungsmechanik in der PhysikDas Ziel eines Kernkraftwerks ist es, Strom aus der durch eine Kernspaltungsreaktion gewonnenen Wärme zu erzeugen. Die im Kernreaktor gewonnene Wärme wird verwendet, um eine Flüssigkeit zu erhitzen und Dampf zu erzeugen, der eine andere Art von Flüssigkeit ist. Dampf tritt mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit in die Turbine ein und breitet sich durch die Turbinenschaufeln aus. Dadurch werden die Schaufeln in Rotation versetzt, wodurch mechanische Energie erzeugt wird.

Die Untersuchung der Differentialgleichungen eines Fluids ermöglicht die Konstruktion effizienterer Turbinen und geeigneter Kreisläufe, um diesen Druck- und Temperaturbedingungen standzuhalten.

Beispiel 7: Ein Wasserkraftwerk

Ein Wasserkraftwerk ist ein Tiefbauwerk, in dem Wasser gespeichert wird, um eine Reihe von Turbinen anzutreiben und Strom zu erzeugen. 

In diesem strömungsmechanischen Beispiel werden sowohl Statik als auch Strömungsdynamik angewendet.

Die physikalische Untersuchung der Fluidstatik ist notwendig, um die Dimensionierung des Wasserdamms zu berechnen, um dem Wasserdruck standzuhalten. Andererseits müssen wir zur Berechnung der Dimensionierung und Leistung von hydraulischen Turbinen die Gleichungen berücksichtigen, die die Bewegung von Flüssigkeiten regulieren, wie die Bernoulli-Gleichung oder die Navier-Stokes-Gleichungen.

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Veröffentlichungsdatum: 20. Oktober 2022
Letzte Überarbeitung: 20. Oktober 2022