Numero di Reynolds: grandezza e valore

In questo articolo vedremo il numero di Reynolds e daremo esempi dei suoi valori. Inoltre, discuteremo dell'importanza della scoperta di uno scienziato per la dimostrazione dell'auto-organizzazione nelle sostanze e, di conseguenza, per l'inizio di un nuovo periodo di scienza post-non-classica.

Inizio poco appariscente

La scienza, come tutti gli aspetti della vita umana, si sviluppa in fasi. E l'inizio della prossima fase di evoluzione passa inosservato. Di norma, comprendendo i prossimi paradossi (e sempre e ovunque abbondano), qualche scienziato ordinario, in virtù della curiosità o della semplicità, dà una definizione, nota la regolarità e deduce una formula. Per qualche tempo tutti usano questa scoperta, non prestando spesso attenzione alla sua versatilità o utilità sorprendente. E poi arriva un genio (che molto spesso non si considera tale), esprime qualcosa di rivoluzionario e emerge un fatto ben noto che conferma nuove teorie.

Così è stato con i quanti di Max Planck: ha introdotto la sua formula per la semplicità. Solo Einstein comprese l'importanza della sua assunzione. Così è stato con Mendel, che ha trovato interessante l'eredità dei segni delle piante ibride. Il suo lavoro fu ampiamente criticato, fino a quando Karl Correns dimostrò che era giusto. Così è stato con Reynolds: studiando i flussi d'acqua, ha introdotto il criterio con cui è stato determinato il flusso laminare di fronte a noi o turbolento. La sua formula è stata utilizzata da scienziati che si occupano di turbine idrauliche, senza assumere l'importanza di questa relazione per dimostrare l'auto-organizzazione di una sostanza.

Biografia di Osborne Reynolds

Lo scienziato citato nacque nella prima metà del diciannovesimo secolo nella famiglia di un prete, in Inghilterra, nella città di Belfast. Fin dalla tenera età amava i meccanismi, spostando parti di macchine, lavorato nel laboratorio. Si è laureato alla prestigiosa Università di Cambridge, e poi ha insegnato in non meno titolato Manchester.

Per tutta la sua vita si è dedicato allo studio scrupoloso di vari fenomeni dal campo della meccanica, dello scambio termico, dell'elettricità, del magnetismo, dell'astrofisica e della turbolenza. Con particolare cura, Reynolds stava preparando un esperimento: essendo un meccanico di talento, ha pensato a tutti i processi fino al minimo dettaglio, cercando di eliminare i fenomeni parassiti. Ha abilmente combinato il maestro di tutti i mestieri e uno scienziato pensieroso. Ha preso tutti i misteri della scienza che potrebbero essere risolti con il lavoro paziente e molte ore di osservazione.

Come il lettore vede, non ci sono lampi, intuizioni, grida: "L'ho trovato!" Solo la routine quotidiana dello scienziato corrosivo. E come risultato - molte scoperte, tra cui il famoso numero di Reynolds.

Quello che viene chiamato il numero di reynolds

L'acqua è la culla della vita sul nostro pianeta. Anche se la teoria della panspermia e le molecole organiche complesse si sono avverate sulle comete, il modo in cui le persone lo vedono ora, la vita è iniziata nei primi oceani.

Le proprietà dell'acqua non cessano mai di stupire. E se ora gli scienziati stanno studiando la struttura che questo fluido forma sotto estrema pressione e temperatura, nel XIX secolo si sono chiesti come fluisce. In particolare, ciò che distingue il flusso laminare da quello turbolento.

Il numero di Reynolds è una quantità adimensionale che determina quanto viscosità del fluido capace di impedire il movimento rettilineo delle sue particelle ad una data velocità. Nel flusso, ogni particella tende ad andare avanti, preferibilmente nel modo più corto possibile. Tuttavia, tutte le molecole di un fluido sono collegate e non possono esistere isolate l'una dall'altra. La forza di questa connessione determina anche la viscosità. Più è alto, più è difficile che il fluido assuma nuove forme e rinunci alle sue molecole. L'acqua scorre facilmente, miele - più difficile. I bitumi hanno la più alta viscosità. Thomas Parnell dell'Università del Queensland ha versato la sua varietà - pitch - nell'imbuto. La prima goccia è caduta otto anni dopo.

Quindi, la viscosità impedisce il movimento di particelle fluide lungo il percorso più breve. Di conseguenza, a seconda della velocità del flusso, le particelle si muovono più o meno diritte (laminare) o, superando la resistenza dell'intero volume del liquido, iniziano a mescolarsi casualmente, creando mini-vortici (questa è chiamata turbolenza). Il numero di Reynolds ha altre definizioni.

Altre definizioni del numero di Reynolds

In termini matematici, si intende il rapporto tra termini non lineari e dissipativi nell'equazione di Navier - Stokes, che descrive la propagazione di un'onda di ampiezza finita in un mezzo.

Anche il numero di Reynolds determina la relazione tra energia cinetica perdita di fluido e di energia per unità di lunghezza (dovuta all'attrito interno). La formula per questo indicatore è:

Re = ρvD _g / η = vD _g / μ = QD _g / μA (Re è il numero di Reynolds, ρ è la densità del liquido, D _g è il diametro idraulico, v è la velocità caratteristica, η è la viscosità dinamica del liquido, μ è viscosità cinematica liquidi, Q - portata volumetrica, sezione sezione tubo - A).

In acustica, la formula è diversa:

Re _a = ρvC ₀ / ωb (C ₀ - velocità del suono in questo fluido, ω è la frequenza circolare, b è il parametro di dissipazione).

Per il numero di Reynolds, a seconda della sostanza che forma il flusso, la rugosità e la forma della sezione del tubo, esiste un certo indicatore critico. Dipende anche dal fatto che ci sia un flusso senza ostacoli o un flusso di liquido attorno a qualcosa (ad esempio una sfera di metallo).

Inoltre, il valore del numero di Reynolds indica che il flusso è ancora laminare o già turbolento. C'è anche uno stato intermedio del flusso, quando non può più essere definito uniforme. Ma allo stesso tempo, non soddisfa ancora i requisiti della turbolenza. Questo numero di Reynolds per l'acqua nel tubo ideale è 2100.

Il valore per la scienza per determinare il numero di Reynolds

Abbiamo già menzionato sopra che i nuovi periodi della scienza iniziano relativamente inosservati. Inoltre, il lettore, di sicuro, ha già intuito che qui il valore associato a un'area molto specifica - il flusso dei fluidi - non è solo descritto qui. Iniziamo la storia da lontano.

Reynolds morì nel 1912. Cinque anni dopo, Ilya Romanovich Prigogine è nata a Mosca e dieci anni dopo, in Germania, Hermann Haken. A metà del XX secolo, queste due persone proclamarono un nuovo periodo di scienza, chiamato "post-non-classico". Continua ora. Il suo fondamento è basato su una disciplina relativamente nuova - sinergetica.

Synergetics

Questa scienza non divide biologia, chimica, fisica e geologia. Tutte queste sezioni sono interessanti sinergetiche perché esplorano sistemi aperti di non equilibrio che sono in grado di auto-organizzarsi. In nessun luogo per trovare uno studio diretto dei fenomeni. Qualsiasi scienza costruisce modelli, ma la maggior parte di essi sono statici. Vuoto perfetto zero assoluto trovato nei libri di testo. Ma in realtà, tali condizioni sono irraggiungibili. Qualsiasi due sistemi contigui scambiano massa o energia, in modo tale che qualsiasi processo avvenga in condizioni di pre-equilibrio.

Auto-organizzazione

E quando un oggetto volumetrico (ad esempio, l'acqua in una casseruola), che consiste in un numero molto grande di elementi, riceve energia dall'esterno (si riscalda), quindi ad un certo punto il suo comportamento cambia.

A scuola ci è sempre stato detto che bollire è un processo caotico, le molecole non si allineano più in un sistema fluido coerente e iniziano a muoversi in direzioni diverse in modo incoerente. Tuttavia, questo non è completamente vero. Se c'è un numero molto grande di elementi, se un atomo "corre" verso l'alto, c'è la possibilità che diverse dozzine di atomi vicini si muovano verso l'alto allo stesso tempo. Quindi, per qualche tempo ci sarà un gruppo di acqua in cui le particelle si comportano allo stesso modo.

Questa è l'essenza dell'auto-organizzazione: in un sistema di non-equilibrio di molte componenti, alcune di esse iniziano a comportarsi nello stesso modo in piccole aree del tempo e dello spazio.

Turbolenza e auto-organizzazione

L'idea di auto-organizzazione, come la vede il lettore, è abbastanza semplice. La dimostrazione di un comportamento coerente è molto più complicata. Il notevole scienziato russo Klimontovich, seguendo il paradigma dei sinergetici, derivò: per la transizione di qualsiasi sistema dal caos all'autorganizzazione, un parametro risponde. Quando supera un certo valore critico, il livello di difficoltà aumenta. Lo stesso scienziato per la prima volta nel mondo ha dimostrato che per il moto turbolento di un fluido, questo criterio è il numero di Reynolds. Pertanto, l'indicatore, che è stato utilizzato per quasi cinquant'anni, si è rivelato la chiave per la scoperta di un nuovo periodo scientifico.