Liczba Reynoldsa: wielkość i wartość

W tym artykule przyjrzymy się numerowi Reynoldsa i podamy przykłady jego wartości. Ponadto omówimy znaczenie odkrycia naukowca dla dowodu na samoorganizację substancji, aw rezultacie na początek nowego, post-nieklasycznego okresu nauki.

Niepozorny początek

Nauka, podobnie jak wszystkie aspekty ludzkiego życia, rozwija się etapami. I początek następnego etapu ewolucji jest niezauważony. Z reguły zrozumienie kolejnych paradoksów (i zawsze i wszędzie obfitujących), jakiś zwykły naukowiec, z racji ciekawości lub prostoty, daje definicję, zauważa regularność i dedukuje formułę. Od jakiegoś czasu każdy korzysta z tego odkrycia, nie zwracając często uwagi na jego wszechstronność lub zaskakujące narzędzie. I wtedy pojawia się geniusz (który najczęściej nie uważa się za takiego), wyraża coś rewolucyjnego i pojawia się znany fakt, który potwierdza nowe teorie.

Tak było z kwantami Maxa Plancka: wprowadził swoją formułę do prostoty. Tylko Einstein zrozumiał znaczenie swojego założenia. Tak samo było z Mendlem, który uznał dziedzictwo symboli roślin hybrydowych za interesujące. Jego praca była szeroko krytykowana, dopóki Karl Correns nie udowodnił, że jest sprawiedliwa. Tak samo było z Reynoldsem: badaniem przepływów wody, wprowadził kryterium, za pomocą którego ustalono przepływ laminarny przed nami lub turbulencje. Jego formuła została wykorzystana przez naukowców zajmujących się turbinami wodnymi, bez zakładania, jak ważny jest ten związek dla udowodnienia samoorganizacji substancji.

Biografia Osborne Reynoldsa

Wspomniany naukowiec urodził się w pierwszej połowie XIX wieku w rodzinie księdza, w Anglii, w mieście Belfast. Od dość wczesnego wieku lubił mechanizmy, ruchome części maszyn, pracował w warsztacie. Ukończył prestiżowy University of Cambridge, a następnie uczył w nie mniej zatytułowanym Manchester.

Przez całe życie poświęcił się skrupulatnemu badaniu różnych zjawisk z zakresu mechaniki, wymiany ciepła, elektryczności, magnetyzmu, astrofizyki i turbulencji. Ze szczególną uwagą Reynolds przygotowywał eksperyment: będąc utalentowanym mechanikiem, przemyślał wszystkie procesy w najdrobniejszych szczegółach, próbując wyeliminować zjawiska pasożytnicze. Umiejętnie połączył mistrza wszystkich zawodów i przemyślanego naukowca. Podjął wszelkie tajemnice nauki, które można rozwiązać przez cierpliwą pracę i wiele godzin obserwacji.

Jak widzi czytelnik, nie ma błysków, wglądów, krzyków: "Znalazłem!" Tylko codzienna rutyna żrącego naukowca. W rezultacie - wiele odkryć, w tym słynny numer Reynoldsa.

To, co nazywa się liczbą reynoldów

Woda jest kolebką życia na naszej planecie. Nawet jeśli teoria panspermii i złożonych cząsteczek organicznych spełniła się na kometach, tak jak teraz ludzie to widzą, życie zaczęło się od pierwszych oceanów.

Właściwości wody nigdy nie przestają zadziwiać. A jeśli teraz naukowcy badają strukturę tego płynu pod wpływem ekstremalnych ciśnień i temperatury, w XIX wieku zastanawiali się, w jaki sposób płynie. W szczególności, co odróżnia przepływ laminarny od turbulentnego.

Liczba Reynoldsa to bezwymiarowa ilość, która określa, ile lepkość płynu zdolny do zapobiegania prostoliniowemu przemieszczaniu się cząstek przy danej prędkości. W przepływie każda cząstka ma tendencję do poruszania się do przodu, najlepiej w najkrótszy możliwy sposób. Jednak wszystkie cząsteczki płynu są połączone i nie mogą istnieć w oderwaniu od siebie. Siła tego połączenia decyduje również o lepkości. Im wyższy, tym trudniejszy płyn przyjmuje nowe formy i rezygnuje z cząsteczek. Woda płynie łatwo, miód - trudniej. Bitumy mają najwyższą lepkość. Thomas Parnell z University of Queensland wylał swoją odmianę - boisko - do leja. Pierwsza kropla spadła osiem lat później.

Zatem lepkość utrudnia ruch cząstek płynu wzdłuż najkrótszej ścieżki. Odpowiednio, w zależności od prędkości przepływu, cząstki poruszają się mniej więcej prosto (laminarnie) lub pokonując opór całej objętości cieczy, zaczynają mieszać losowo, tworząc mini-wiry (to się nazywa turbulencją). Liczba Reynoldsa ma inne definicje.

Inne definicje liczby Reynoldsa

Pod względem matematycznym oznacza to stosunek nieliniowych i dyssypatywnych określeń w równaniu Naviera - Stokesa, który opisuje propagację skończonej fali amplitudowej w ośrodku.

Również liczba Reynoldsa określa związek między energia kinetyczna straty płynu i energii na jednostkę długości (z powodu tarcia wewnętrznego). Wzór na ten wskaźnik to:

Re = ρvD _g / η = vD _g / μ = QD _g / μA (Re jest liczbą Reynoldsa, ρ jest gęstością cieczy, D _g jest średnicą hydrauliczną, v jest prędkością charakterystyczną, η jest dynamiczną lepkością cieczy, μ jest lepkość kinematyczna ciecze, Q - objętościowe natężenie przepływu, A - obszar przekroju rury).

W akustyce formuła jest inna:

Re _a = ρvC ₀ / ωb (C ₀ - prędkość dźwięku w tym płynie, ω jest częstotliwością kołową, b jest parametrem rozpraszania).

W przypadku liczby Reynoldsa, w zależności od substancji tworzącej przepływ, szorstkość i kształt sekcji rury, istnieje pewien wskaźnik krytyczny. Zależy to również od tego, czy istnieje przepływ bez przeszkód, czy też ciecz płynie wokół czegoś (np. Metalowej kuli).

Ponadto wartość liczby Reynoldsa wskazuje, że przepływ jest nadal laminarny lub już burzliwy. Istnieje również pewien pośredni stan przepływu, kiedy nie można go już nazwać jednolitym. Ale jednocześnie wciąż nie spełnia wymagań turbulencji. Ta liczba Reynoldsa dla wody w idealnej rurce wynosi 2100.

Wartość nauki dla określenia liczby Reynoldsa

Wspomnieliśmy już wcześniej, że nowe okresy nauki zaczynają być stosunkowo niezauważone. Również czytelnik z pewnością już odgadł, że tutaj wartość związana z bardzo specyficznym obszarem - przepływem płynów - nie jest tu opisana. Zacznijmy opowieść z daleka.

Reynolds zmarł w 1912 roku. Pięć lat później Ilya Romanovich Prigogine urodził się w Moskwie, a dziesięć lat później w Niemczech - Hermann Haken. W połowie XX wieku ci dwaj proklamowali nowy okres nauki, zwany "post-non-classical". Trwa to teraz. Jego podstawą jest stosunkowo nowa dyscyplina - synergetyka.

Synergetics

Ta nauka nie dzieli biologii, chemii, fizyki i geologii. Wszystkie te sekcje są interesującymi synergetykami, ponieważ badają otwarte systemy nierównowagowe, zdolne do samoorganizacji. Nigdzie nie można znaleźć bezpośredniego badania zjawisk. Każda nauka buduje modele, ale większość z nich jest statyczna. Idealna próżnia absolutne zero znaleźć w podręcznikach. Ale w rzeczywistości takie warunki są nieosiągalne. Każde dwa sąsiednie systemy wymieniają masę lub energię, aby wszelkie procesy zachodziły w warunkach równowagi wstępnej.

Samoorganizacja

A kiedy jakiś obiekt objętościowy (na przykład woda w rondlu), który składa się z bardzo dużej liczby elementów, odbiera energię z zewnątrz (ogrzewa się), to w pewnym momencie zmienia się jej zachowanie.

W szkole zawsze powtarzano nam, że gotowanie jest procesem chaotycznym, cząsteczki nie układają się już w spójnym układzie płynów i zaczynają poruszać się w różnych kierunkach w niekonsekwentny sposób. Jednak nie jest to całkowicie prawdą. Jeśli istnieje bardzo duża liczba elementów, jeśli jeden atom "biegnie" w górę, istnieje możliwość, że kilkadziesiąt sąsiednich atomów będzie poruszać się w górę w tym samym czasie. W ten sposób przez pewien czas będzie skupisko wody, w którym cząstki zachowują się w ten sam sposób.

Jest to esencja samoorganizacji: w systemie nierównowagowym wielu komponentów, niektóre z nich zaczynają zachowywać się w ten sam sposób w małych obszarach czasu i przestrzeni.

Turbulencje i samoorganizacja

Idea samoorganizacji, jak widzi to czytelnik, jest dość prosta. Dowód na spójne zachowanie jest znacznie bardziej skomplikowany. Niezwykły rosyjski naukowiec Klimontowicz, kierując się paradygmatem synergetyki, wyprowadził: dla przejścia dowolnego systemu z chaosu do samoorganizacji, odpowiada jeden parametr. Kiedy przekracza pewną wartość krytyczną, poziom trudności wzrasta. Ten sam naukowiec po raz pierwszy na świecie udowodnił, że dla turbulentnego ruchu płynu to kryterium jest liczbą Reynoldsa. Tym samym wskaźnik, który był używany przez prawie pięćdziesiąt lat, okazał się kluczem do odkrycia nowego okresu w nauce.