กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 11 นาที

กฎของสโตกส์

ในพลศาสตร์ของไหลกฎของสโตกส์ให้แรงเสียดทาน – หรือที่เรียกว่าแรงต้าน – ที่กระทำต่อวัตถุทรงกลม ที่เคลื่อนที่ด้วย เลขเรย์โนลด์ ต่ำมาก ในของไหลหนืด กฎนี้ได้รับการพัฒนาโดยจอร์จ กาเบรียล.

กฎของสโตกส์

ในพลศาสตร์ของไหลกฎของสโตกส์ให้แรงเสียดทาน – หรือที่เรียกว่าแรงต้าน – ที่กระทำต่อวัตถุทรงกลม ที่เคลื่อนที่ด้วย เลขเรย์โนลด์ ต่ำมาก ในของไหลหนืด[ 1 ] กฎนี้ได้รับการพัฒนาโดยจอร์จ กาเบรียล สโตกส์ในปี พ.ศ. 2494 โดยการแก้ขีด จำกัด การไหลของสโตกส์สำหรับเลขเรย์โนลด์ต่ำของสมการนาเวียร์-สโตกส์[ 2 ]

คำแถลงของกฎหมาย

แรงหนืดบนทรงกลมขนาดเล็กที่เคลื่อนที่ผ่านของเหลวหนืดกำหนดโดย: [ 3 ] [ 4 ]

โดยที่ (ในหน่วย SI ):

  • คือแรงเสียดทาน – หรือที่รู้จักกันในชื่อแรงต้านของสโตกส์ – ที่กระทำต่อพื้นผิวสัมผัสระหว่างของเหลวกับอนุภาค ( นิวตัน , กิโลกรัม ms⁻² ) ;
  • μ (ผู้เขียนบางท่านใช้สัญลักษณ์η ) คือความหนืดไดนามิก ( ปาสคาลวินาที, กก.ม. ⁻¹วินาที⁻¹ );
  • Rคือรัศมีของวัตถุทรงกลม (เมตร)
  • คือเวกเตอร์ความเร็วของวัตถุ ไม่ใช่ความเร็วการไหลสัมพัทธ์กับวัตถุ (เมตรต่อวินาที) โปรดสังเกตเครื่องหมายลบในสมการ แรงต้านอากาศชี้ไปในทิศทางตรงกันข้ามกับความเร็วสัมพัทธ์: แรงต้านอากาศต้านการเคลื่อนที่

กฎของสโตกส์ตั้งสมมติฐานต่อไปนี้เกี่ยวกับพฤติกรรมของอนุภาคในของเหลว:

ขึ้นอยู่กับความแม่นยำที่ต้องการ การที่ไม่เป็นไปตามข้อสมมติเหล่านี้อาจจำเป็นหรือไม่จำเป็นต้องใช้แบบจำลองที่ซับซ้อนกว่า ตัวอย่างเช่น สำหรับความคลาดเคลื่อน 10% ความเร็วจะต้องถูกจำกัดไว้ที่ค่า Re < 1

สำหรับโมเลกุลนั้นกฎของสโตกส์ใช้ในการกำหนดรัศมีสโตกส์และเส้นผ่านศูนย์กลางของ โมเลกุล

หน่วยCGSของความหนืดจลน์ได้รับการตั้งชื่อว่า "สโตกส์" ตามผลงานของเขา

แอปพลิเคชัน

กฎของสโตกส์เป็นพื้นฐานของเครื่องวัดความหนืด แบบลูกบอลตก ซึ่งของเหลวจะอยู่นิ่งในหลอดแก้วแนวตั้ง ลูกบอลที่มีขนาดและความหนาแน่นที่ทราบค่าจะถูกปล่อยให้ตกลงมาผ่านของเหลว หากเลือกได้อย่างถูกต้อง ลูกบอลจะถึงความเร็วปลาย ซึ่งสามารถวัดได้จากเวลาที่ใช้ในการผ่านเครื่องหมายสองจุดบนหลอด การตรวจวัดด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์สามารถใช้ได้กับของเหลวทึบแสง เมื่อทราบความเร็วปลาย ขนาดและความหนาแน่นของลูกบอล และความหนาแน่นของของเหลวแล้ว กฎของสโตกส์สามารถใช้ในการคำนวณความหนืดของของเหลวได้ โดยปกติแล้วในการทดลองแบบคลาสสิกจะใช้ลูกปืนเหล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่างกันหลายลูกเพื่อเพิ่มความแม่นยำในการคำนวณ การทดลองในโรงเรียนใช้กลีเซอรีนหรือน้ำเชื่อมสีทองเป็นของเหลว และเทคนิคนี้ถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมเพื่อตรวจสอบความหนืดของของเหลวที่ใช้ในกระบวนการต่างๆ การทดลองในโรงเรียนหลายอย่างมักเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและ/หรือความเข้มข้นของสารที่ใช้เพื่อแสดงให้เห็นถึงผลกระทบที่มีต่อความหนืด วิธีการทางอุตสาหกรรมนั้นรวมถึง น้ำมันหลายชนิดและ ของเหลว โพลีเมอร์เช่น สารละลาย

ความสำคัญของกฎของสโตกส์แสดงให้เห็นได้จากข้อเท็จจริงที่ว่ากฎนี้มีบทบาทสำคัญในการวิจัยซึ่งนำไปสู่รางวัลโนเบลอย่างน้อยสามรางวัล[ 5 ]

กฎของสโตกส์มีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจการว่ายน้ำของจุลินทรีย์และอสุจิรวมถึงการตกตะกอนของอนุภาคขนาดเล็กและสิ่งมีชีวิตในน้ำภายใต้แรงโน้มถ่วง[ 5 ]

ในอากาศ ทฤษฎีเดียวกันนี้สามารถนำมาใช้อธิบายได้ว่าทำไมหยดน้ำขนาดเล็ก (หรือผลึกน้ำแข็ง) จึงสามารถลอยอยู่ในอากาศได้ (เป็นเมฆ) จนกระทั่งมีขนาดใหญ่ถึงขนาดวิกฤตและเริ่มตกลงมาเป็นฝน (หรือหิมะและลูกเห็บ) [ 6 ]สามารถใช้สมการในลักษณะเดียวกันนี้ในการตกตะกอนของอนุภาคละเอียดในน้ำหรือของเหลวอื่นๆ ได้

ความเร็วปลายของทรงกลมที่ตกลงมาในของเหลว

การไหลแบบค่อยเป็นค่อยไปผ่านทรงกลม ที่ กำลังตกลง ในของเหลว (เช่น ละอองหมอกที่ตกลงมาในอากาศ): เส้นกระแสแรงต้านFd แรงโน้มถ่วงFg

ที่ความเร็วปลายทาง (หรือความเร็วการตก)แรงส่วนเกินFeเนื่องมาจากความแตกต่างระหว่างน้ำหนักและแรงลอยตัวของทรงกลม (ซึ่งเกิดจากแรงโน้มถ่วง ทั้งคู่ [ 7 ] ) จะได้รับดังนี้

โดยที่ (ในหน่วย SI ):

เมื่อกำหนดสมดุลแรงF = F และแก้หาความเร็วvจะได้ความเร็วปลายv โปรดทราบว่าเนื่องจากแรงส่วนเกินเพิ่มขึ้นเป็นR 3และแรงต้านของสโตกส์เพิ่มขึ้นเป็นRความเร็วปลายจึงเพิ่มขึ้นเป็นR 2และดังนั้นจึงแปรผันอย่างมากกับขนาดอนุภาคดังแสดงด้านล่าง หากอนุภาคได้รับน้ำหนักของตัวเองเท่านั้นขณะตกในของเหลวหนืด ความเร็วปลายจะเกิดขึ้นเมื่อผลรวมของแรงเสียดทานและแรงลอยตัวบนอนุภาคเนื่องจากของเหลวสมดุลกับแรงโน้มถ่วง พอดี ความเร็ว v [m/s] นี้กำหนดโดย: [ 7 ]

โดยที่ (ในหน่วย SI):

  • gคือความแรงของสนามโน้มถ่วง [m/ ]
  • Rคือรัศมีของอนุภาคทรงกลม [เมตร]
  • ρpคือความหนาแน่นมวลของอนุภาค [กก. ลบ.ม. ]
  • ρfคือความหนาแน่นมวลของของเหลว [กก. ลบ.ม. ]
  • μคือค่าความหนืดไดนามิก [กก./(ม.•วินาที)]

อนุพันธ์

การไหลของสโตกส์

ในการไหลแบบสโตกส์ ที่ เลขเรย์โนลด์ต่ำมากเทอมเร่งความเร็วการพาความร้อนในสมการนาเวียร์-สโตกส์จะถูกละเลย จากนั้นสมการการไหลจะกลายเป็น สำหรับการไหลคงที่ที่ไม่สามารถอัดได้ : [ 8 ]

ที่ไหน:

โดยใช้เอกลักษณ์แคลคูลัสเวกเตอร์ บางอย่าง สมการเหล่านี้สามารถแสดงให้เห็นว่าส่งผลให้เกิดสมการลาปลาสสำหรับความดันและแต่ละส่วนประกอบของเวกเตอร์การหมุนวน: [ 8 ]

  และ  

แรงเพิ่มเติม เช่น แรงโน้มถ่วงและแรงลอยตัว ยังไม่ได้นำมาพิจารณา แต่สามารถเพิ่มเข้าไปได้ง่าย เนื่องจากสมการข้างต้นเป็นสมการเชิงเส้น ดังนั้นจึงสามารถใช้ การซ้อนทับเชิงเส้น ของคำตอบและแรงที่เกี่ยวข้องได้

การไหลตามขวางรอบทรงกลม

เส้นกระแสการไหลแบบค่อยเป็นค่อยไปผ่านทรงกลมในของเหลว เส้นไอโซคอนทัวร์ของ ฟังก์ชัน ψ (ค่าอยู่ในป้ายกำกับของเส้นคอนทัวร์)

สำหรับกรณีของทรงกลมในกระแสการไหลแบบสม่ำเสมอในระยะไกลการใช้ระบบพิกัดทรงกระบอก( r , φ , z ) จะเป็นประโยชน์ แกนzผ่านศูนย์กลางของทรงกลมและวางตัวในทิศทางเดียวกับทิศทางการไหลเฉลี่ย ในขณะที่rคือรัศมีที่วัดตั้งฉากกับแกนz จุดกำเนิดอยู่ที่ศูนย์กลางของทรงกลม เนื่องจากการไหลมี ความสมมาตรตาม แกน zจึงไม่ขึ้นอยู่กับมุมอะซิมุธφ

ในระบบพิกัดทรงกระบอกนี้ การไหลที่ไม่สามารถอัดได้สามารถอธิบายได้ด้วยฟังก์ชันกระแสสโตกส์ψซึ่งขึ้นอยู่กับrและz : [ 9 ] [ 10 ]

โดยที่u และu คือส่วนประกอบความเร็วการไหลใน ทิศทาง rและzตามลำดับ ส่วนประกอบความเร็วเชิงมุมใน ทิศทาง φเท่ากับศูนย์ในกรณีสมมาตรตามแกนนี้ ฟลักซ์ปริมาตรผ่านท่อที่ล้อมรอบด้วยพื้นผิวที่มีค่าคงที่ψเท่ากับ2 πψและคงที่[ 9 ]

สำหรับกรณีการไหลแบบสมมาตรตามแกนนี้ ส่วนประกอบที่ไม่เป็นศูนย์เพียงอย่างเดียวของเวกเตอร์ความหมุนωคือส่วนประกอบ เชิงมุม φ ω [ 11 ] [ 12 ]

ตัวดำเนินการลาปลาซที่ใช้กับความหมุนω จะกลายเป็นในระบบพิกัดทรงกระบอกที่มีสมมาตรแกนนี้: [ 12 ]

จากสมการสองสมการก่อนหน้านี้ และด้วยเงื่อนไขขอบเขตที่เหมาะสม สำหรับความเร็วการไหลสม่ำเสมอระยะไกลuใน ทิศทาง zและทรงกลมรัศมีRพบว่าคำตอบคือ[ 13 ]

การหาค่าความเร็วในระบบพิกัดทรงกระบอกและส่วนประกอบต่างๆ มีดังนี้:

การไหลแบบสโตกส์รอบทรงกลมที่มีพารามิเตอร์ ได้แก่ ความเร็วในระยะไกลรัศมีของทรงกลมและความหนืดของน้ำ (T = 20°C) แสดงเส้นสนามของสนามความเร็ว และแอมพลิจูดของความเร็ว ความดัน และความหมุนวนด้วยสีเสมือน

วิธีแก้ปัญหาเรื่องความหมุนวนในระบบพิกัดทรงกระบอกมีดังนี้:

การหาค่าความดันในระบบพิกัดทรงกระบอกมีวิธีการดังนี้:

การหาค่าความดันในระบบพิกัดทรงกลมมีสูตรดังนี้:

สูตรของความดันเรียกอีกอย่างว่าศักย์ไดโพลซึ่งคล้ายคลึงกับแนวคิดในไฟฟ้าสถิต

สูตรทั่วไปที่ครอบคลุมกว่า โดยใช้เวกเตอร์ความเร็วระยะไกลแบบใดก็ได้ในพิกัดคาร์ทีเซียนมีดังนี้:

ในสูตรนี้ เทอม ที่ไม่คงตัวแสดงถึงสิ่งที่เรียกว่าStokeslet Stokeslet คือฟังก์ชันกรีนของสมการการไหลของ Stokes ส่วนเทอมที่คงตัวนั้นเท่ากับสนามเกรเดียนต์ไดโพลสูตรของความหมุนวนนั้นคล้ายคลึงกับกฎของ Biot–Savart ในแม่เหล็กไฟฟ้า

อีกทางเลือกหนึ่งที่กระชับกว่าคือ สามารถกำหนดสูตรสนามความเร็วได้ดังนี้:

,

โดยที่คือตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์ของเมทริกซ์เฮสเซียน และคือตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์ที่ประกอบขึ้นจากผลต่างของเมทริกซ์ลาปลาเซียนและเมทริกซ์เฮสเซียน ด้วยวิธีนี้จึงเห็นได้ชัดเจนว่าคำตอบประกอบขึ้นจากอนุพันธ์ของศักยภาพคูลอมบ์ ( ) และศักยภาพไบฮาร์มอนิก ( ) ตัวดำเนินการเชิงอนุพันธ์ที่ใช้กับนอร์มเวกเตอร์จะสร้างสโตกส์เล็ต

สูตรต่อไปนี้อธิบายเทนเซอร์ความเค้นหนืดสำหรับกรณีพิเศษของการไหลแบบสโตกส์ ซึ่งจำเป็นในการคำนวณแรงที่กระทำต่ออนุภาค ในระบบพิกัดคาร์ทีเซียนเวกเตอร์เกรเดียนต์จะเหมือนกับเมทริกซ์จาโคเบียนเมทริกซ์Iแทน เมท ริก ซ์เอกลักษณ์

แรงที่กระทำต่อทรงกลมสามารถคำนวณได้จากการอินทิเกรตเทนเซอร์ความเค้นบนพื้นผิวของทรงกลม โดยที่e แทนเวกเตอร์หน่วยรัศมีของพิกัดทรงกลม :

การไหลแบบหมุนรอบทรงกลม

การไหลของสโตกส์รอบทรงกลม: , ,

การไหลแบบสโตกส์ประเภทอื่นๆ

แม้ว่าของเหลวจะอยู่นิ่งและทรงกลมจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วค่าหนึ่ง แต่เมื่อพิจารณาจากกรอบอ้างอิงของทรงกลมแล้ว ทรงกลมจะอยู่นิ่งและของเหลวจะไหลในทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของทรงกลม

ดูเพิ่มเติม

แหล่งที่มา

  • Batchelor, GK (1967). บทนำสู่พลศาสตร์ของไหล . สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์. ISBN 0-521-66396-2.
  • แลมบ์, เอช. (1994). อุทกพลศาสตร์ (ฉบับที่ 6). สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์. ISBN 978-0-521-45868-9.หนังสือเล่มนี้ตีพิมพ์ครั้งแรกในปี 1879 และฉบับแก้ไขเพิ่มเติมครั้งที่ 6 ตีพิมพ์ครั้งแรกในปี 1932
ดึงข้อมูลมาจาก " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Stokes%27s_law&oldid=1351386168 "

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ กฎของสโตกส์

ในพลศาสตร์ของไหลกฎของสโตกส์ให้แรงเสียดทาน – หรือที่เรียกว่าแรงต้าน – ที่กระทำต่อวัตถุทรงกลม ที่เคลื่อนที่ด้วย เลขเรย์โนลด์ ต่ำมาก ในของไหลหนืด กฎนี้ได้รับการพัฒนาโดยจอร์จ กาเบรียล.

คำแถลงของกฎหมาย

แรงหนืดบนทรงกลมขนาดเล็กที่เคลื่อนที่ผ่านของเหลวหนืดกำหนดโดย: [ 3 ] [ 4 ]

แอปพลิเคชัน

กฎของสโตกส์เป็นพื้นฐานของ เครื่องวัดความหนืด แบบลูกบอลตก ซึ่งของเหลวจะอยู่นิ่งในหลอดแก้วแนวตั้ง ลูกบอลที่มีขนาดและความหนาแน่นที่ทราบค่าจะถูกปล่อยให้ตกลงมาผ่านของเหลว หากเลือกได้อย่างถูกต้อง ลูกบอลจะถึงความเร็วปลาย...

ความเร็วปลายของทรงกลมที่ตกลงมาในของเหลว

ที่ ความเร็วปลายทาง (หรือความเร็วการตก) แรงส่วนเกิน Fe เนื่องมาจากความแตกต่างระหว่าง น้ำหนัก และ แรงลอยตัว ของทรงกลม (ซึ่งเกิดจาก แรงโน้มถ่วง ทั้งคู่ [ 7 ] ) จะได้รับดังนี้