Laminarni i turbulentni protok tekućine: opis, značajke i zanimljivosti

Hidrodinamika je najvažniji dio fizike, koja proučava zakone kretanja fluida ovisno o vanjskim uvjetima. Važno pitanje koje se razmatra u hidrodinamici je pitanje određivanja laminarnog i turbulentnog protoka tekućine.

Što je tekućina?

Da bismo bolje razumjeli problem laminarnog i turbulentnog protoka tekućine, potrebno je početi razmatrati što je to tvar.

Tekućina u fizici je jedno od 3 agregatna stanja materije, koja u određenim uvjetima može održavati svoj volumen, ali koja, kada je izložena minimalnim tangencijalnim silama, mijenja svoj oblik i počinje teći. Za razliku od čvrstog tijela, u tekućini ne postoje sile otpora prema vanjskim utjecajima, koje bi nastojale povratiti svoj izvorni oblik. Tekućina se razlikuje od plinova po tome što je sposobna održavati svoj volumen pri stalnom vanjskom tlaku i temperaturi.

Parametri koji opisuju svojstva tekućina

Pitanje laminarnog i turbulentnog protoka određeno je, s jedne strane, svojstvima sustava u kojem se razmatra kretanje fluida, as druge strane, svojstvima fluidne tvari. Dajemo osnovna svojstva tekućina:

• Gustoća. Svaka tekućina je homogena, stoga za svoje karakteristike koristi tu fizičku količinu koja odražava količinu mase tekuće tvari koja pada na jediničnu zapreminu.
• Viskoznost. Ova vrijednost karakterizira trenje koje nastaje između različitih slojeva tekućine tijekom njegovog protoka. Budući da je u tekućinama potencijalna energija molekula približno jednaka njihovoj kinetičkoj energiji, ona uzrokuje prisutnost neke viskoznosti u bilo kojoj stvarnoj tekućini. To svojstvo tekućina uzrokuje gubitak energije tijekom njihovog protoka.
• Kompresije. S povećanjem vanjskog tlaka svaka tekućina smanjuje svoj volumen, međutim, za tekućine ovaj tlak mora biti dovoljno visok da neznatno smanji volumen koji zauzimaju, pa se za većinu praktičnih slučajeva ovo agregatno stanje smatra nestlačivim.
• Površinska napetost. Ova vrijednost određena je radom koji se mora potrošiti kako bi se formirala jedinična površina tekućine. Postojanje površinske napetosti zbog prisutnosti intermolekularnih sila interakcije u tekućinama određuje njihova kapilarna svojstva.

Laminarni tok

Proučavajući pitanje turbulentnog i laminarnog protoka, prvo ćemo razmotriti potonje. Ako za tekućinu koja je u cijevi, kako bi se stvorila razlika tlaka na krajevima ove cijevi, ona će početi teći. Ako je protok tvari miran, a svaki njegov sloj se kreće duž glatke putanje koja ne siječe linije gibanja drugih slojeva, tada govorimo o režimu laminarnog protoka. Tijekom toga, svaka molekula tekućine kreće se duž cijevi duž određene staze.

Karakteristike laminarnog tijeka su sljedeće:

• Ne postoji miješanje između pojedinačnih slojeva tekućine.
• Slojevi koji su bliže osi cijevi kreću se većom brzinom od onih koja se nalaze na njegovoj periferiji. Ova činjenica je zbog prisutnosti sila trenja između molekula tekućine i unutarnje površine cijevi.

Primjer laminarnog strujanja su paralelni mlazovi vode koji izlaze iz tuša. Ako se u laminarni tok doda nekoliko kapi boje, možete vidjeti kako se one uvlače u mlaz, koji nastavlja svoj glatki tok bez miješanja u volumenu tekućine.

Turbulentni protok

Ovaj način rada bitno se razlikuje od laminarnog. Turbulentni tok je kaotičan tijek u kojem se svaka molekula kreće duž proizvoljne putanje, koja se može predvidjeti samo u početnom trenutku vremena. Ovaj način karakterizira turbulencija i kružna kretanja malih volumena u protoku tekućine. Ipak, unatoč slučajnosti trajektorija pojedinih molekula, ukupni se protok kreće u određenom smjeru, a tu se brzinu može karakterizirati određena srednja vrijednost.

Primjer turbulentnog toka je protok vode u planinskoj rijeci. Ako ispustite boju u takvom potoku, možete vidjeti da će se u početnom trenutku pojaviti mlaz koji će početi iskrivljavati i lagano zaokrenuti, a zatim će nestati, miješajući cijeli volumen tekućine.

Što određuje protok tekućine?

Režimi laminarnog ili turbulentnog toka ovise o omjeru dviju veličina: viskoznosti tekućine, koja određuje trenje između slojeva tekućine, i inercijskih sila koje opisuju brzinu strujanja. Što je viskozna tvar, a što je protok manja, veća je vjerojatnost laminarnog protoka. Naprotiv, ako je viskoznost tekućine niska i brzina je visoka, tada će protok biti turbulentan.

U nastavku se nalazi videozapis koji jasno objašnjava značajke razmatranih načina protoka tvari.

Kako odrediti protok?

Za praksu je ovo pitanje vrlo važno, jer je odgovor na njega povezan s osobitostima kretanja objekata u fluidnom mediju i veličinom energetskih gubitaka.

Prijelaz između laminarnog i turbulentnog režima protoka tekućine može se procijeniti pomoću tzv. Reynoldsovih brojeva. One su bezdimenzionalna veličina i nazvane su po imenu irskog inženjera i fizičara Osbornea Reynoldsa, koji je krajem 19. stoljeća predložio njihovo korištenje kako bi se praktično odredio način kretanja tekuće tvari.

Reynoldsov broj (laminarni i turbulentni protok fluida u cijevi) može se izračunati pomoću sljedeće formule: Re = ρ * D * v / μ, gdje su ρ i μ gustoća i viskoznost tvari, v je prosječna brzina protoka, D je promjer cijevi. U formuli brojnik odražava inercijske sile ili protok, a nazivnik određuje silu trenja ili viskoznost. Iz toga možemo zaključiti da ako je Reynoldsov broj za razmatrani sustav velik, to znači da fluid teče u turbulentnom modu, i obratno, mali Reynoldsovi brojevi ukazuju na postojanje laminarnog toka.

Specifične vrijednosti Reynoldsovih brojeva i njihova uporaba

Kako je gore spomenuto, Reynoldsov broj može se koristiti za određivanje laminarnog i turbulentnog protoka. Problem je u tome što ovisi o značajkama sustava, na primjer, ako cijev ima nepravilnosti na svojoj unutarnjoj površini, tada će turbulentni protok vode u njemu početi pri nižim brzinama protoka nego u glatkom.

Statistike mnogih eksperimenata pokazale su da bez obzira na sustav i prirodu tekuće tvari, ako je Reynoldsov broj manji od 2000, tada dolazi do laminarnog kretanja, a ako je više od 4000, protok postaje turbulentan. Srednje vrijednosti brojeva (od 2000 do 4000) ukazuju na prisutnost prijelaznog načina.

Navedeni Reynoldsovi brojevi koriste se za određivanje kretanja različitih tehničkih objekata i uređaja u tekućinama, za proučavanje protoka vode kroz cijevi različitih oblika, a također igraju važnu ulogu u proučavanju određenih bioloških procesa, na primjer, kretanja mikroorganizama u krvnim žilama ljudi.