Номер на Рейнолдс: величина и стойност

В тази статия ще разгледаме числото на Рейнолдс и ще дадем примери за неговите стойности. Освен това ще обсъдим значението на откритието на един учен за доказване на самоорганизацията в веществата и в резултат на това за началото на нов, некласически период на науката.

Незабележимо начало

Науката, както всички аспекти на човешкия живот, се развива на етапи. И началото на следващия етап на еволюцията остава незабелязано. Като правило, разбирайки следващите парадокси (и винаги и навсякъде изобилстващи), някой обикновен учен, по силата на любопитство или простота, дава определение, забелязва редовността и извежда формула. За известно време всеки използва това откритие, не често обръщайки внимание на неговата гъвкавост или изненадваща полезност. И тогава идва гений (който най-често не се смята за такъв), изразява нещо революционно и се появява известен факт, който потвърждава нови теории.

Така беше и с квантите на Макс Планк: той въведе своята формула за простота. Само Айнщайн осъзнава важността на своето предположение. Така беше и с Мендел, който намери наследството на признаците на хибридни растения интересно. Работата му беше широко критикувана, докато Карл Коррънс доказа, че това е честно. Така е и с Рейнолдс: изучавайки водните потоци, той въвежда критерия, чрез който се определя ламинарния поток пред нас или турбулентността. Формулата му е използвана от учени, занимаващи се с водни турбини, без да се предполага, че тази връзка е важна за доказване на самоорганизацията на дадено вещество.

Биография на Осборн Рейнолдс

Споменатият учен е роден през първата половина на XIX век в семейството на свещеник в Англия, в град Белфаст. От доста ранна възраст той обичаше механизми, движещи се части от машини, работеше в работилницата. Завършва престижния университет в Кеймбридж, а след това преподава в не по-малко титулярния Манчестър.

През целия си живот той е посветен на внимателното изучаване на различни явления от областта на механиката, топлообмена, електричеството, магнетизма, астрофизиката и турбулентността. С особена грижа Рейнолдс подготвя експеримент: като талантлив механик, той обмисли всички процеси до най-малкия детайл, опитвайки се да елиминира паразитни явления. Той умело съчетава майстора на всички професии и замислен учен. Той пое всички тайни на науката, които биха могли да бъдат решени чрез търпелив труд и много часове наблюдение.

Както читателят вижда, няма проблясъци, прозрения, викове: "Намерих го!" Само ежедневната рутина на разяждащия учен. И като резултат - много открития, сред които и известният брой на Рейнолдс.

Какво се нарича числото на Рейнолдс

Водата е люлка на живота на нашата планета. Дори ако теорията за панспермията и сложните органични молекули се сбъдна в кометите, както хората я виждат сега, животът започва в първите океани.

Свойствата на водата никога не престават да учудват. И ако сега учените изучават структурата, че тази течност се формира при екстремни налягания и температура, през деветнадесети век те се чудеха как тече. В частност, това, което отличава ламинарния поток от бурното.

Числото на Рейнолдс е безразмерно количество, което определя колко вискозитет на течността способни да предотвратяват праволинейното движение на своите частици при дадена скорост. В потока, всяка частица има тенденция да се движи напред, за предпочитане по най-краткия възможен начин. Въпреки това, всички молекули на флуида са свързани и не могат да съществуват изолирано един от друг. Силата на тази връзка определя и вискозитета. Колкото е по-високо, толкова по-трудно е течността да поема нови форми и да се отказва от своите молекули. Водата тече лесно, мед - по-трудно. Битумите имат най-висок вискозитет. Томас Панел от Университета на Куинсланд изсипа разнообразието си - катран - във фунията. Първата капка от нея падна осем години по-късно.

Така вискозитетът възпрепятства движението на флуидните частици по най-късия път. Съответно, в зависимост от скоростта на потока, частиците се движат повече или по-малко прави (ламинарен) или, преодолявайки съпротивлението на целия обем на течността, те започват да се смесват произволно, създавайки мини-вихри (това се нарича турбуленция). Числото на Рейнолдс има други определения.

Други определения на числото на Рейнолдс

Математически, това означава съотношението между нелинейните и дисипативните термини в уравнението на Навир - Стокс, което описва разпространението на вълна с крайна амплитуда в среда.

Също така номерът на Рейнолдс определя връзката между тях кинетична енергия загуба на течност и енергия на единица дължина (поради вътрешно триене). Формулата за този индикатор е:

Re = ρvD _g / η = vD _g / μ = QD _g / μA (Re е числото на Рейнолдс, ρ е плътността на течността, D _g е хидравличният диаметър, v е характерната скорост, η е динамичният вискозитет на течността, μ е кинематичен вискозитет течности, Q - дебит, A - площ на участъка от тръбата.

В акустиката формулата е различна:

Re _a = ρvC ₀ / ωb (C ₀ - скорост на звука в този флуид ω е кръговата честота, b е параметърът на разсейване).

За числото на Рейнолдс, в зависимост от веществото, формиращо потока, грапавостта и формата на тръбния участък, има определен критичен индикатор. Тя също зависи от това дали има поток без препятствия или течността тече около нещо (например метална топка).

В допълнение, стойността на числото на Рейнолдс показва, че потокът е все още ламинарен или вече турбулентен. Има също и някакво междинно състояние на потока, когато то вече не може да се нарече еднородно. Но в същото време, тя все още не отговаря на изискванията за турбуленция. Това число на Рейнолдс за вода в идеалната тръба е 2100.

Значението за науката да определи броя на Рейнолдс

Вече споменахме, че новите периоди на науката започват относително незабелязано. Също така, читателят със сигурност вече е предположил, че тук стойността, свързана с много специфична област - потока на флуидите - не е само описана тук. Нека да започнем историята отдалеч.

Рейнолдс починал през 1912 година. Пет години по-късно Иля Романович Пригожин е роден в Москва, а десет години по-късно в Германия - Херман Хакен. В средата на ХХ век тези двама души провъзгласиха нов период на науката, наречен „пост-некласически”. Тя продължава и сега. Неговата основа се основава на сравнително нова дисциплина - синергетика.

Synergetics

Тази наука не разделя биология, химия, физика и геология. Всички тези раздели са интересни синергетици, защото те изследват отворени неравновесни системи, които са способни на самоорганизация. Никъде не може да се намери пряко проучване на явленията. Всяка наука изгражда модели, но повечето от тях са статични. Перфектен вакуум абсолютна нула в учебниците. Но в действителност такива условия са недостижими. Всякакви две съседни системи обменят маса или енергия, така че всички процеси се извършват при условия на равновесие.

Самоорганизация

И когато някакъв обемен обект (например вода в тенджера), който се състои от много голям брой елементи, получава енергия отвън (нагрява), тогава в даден момент неговото поведение се променя.

Винаги ни казваха в училище, че кипенето е хаотичен процес, молекулите вече не се подреждат в една последователна флуидна система и започват да се движат в различни посоки по непоследователен начин. Това обаче не е напълно вярно. Ако има много голям брой елементи, ако един атом "изтича" нагоре, има вероятност няколко дузини съседни атоми да се движат нагоре по едно и също време. Така за известно време ще има група от вода, в която частиците ще се държат по същия начин.

Това е същността на самоорганизацията: в неравновесна система на много компоненти някои от тях започват да се държат по един и същи начин в малки области от време и пространство.

Турбулентност и самоорганизация

Идеята за самоорганизация, както вижда читателят, е доста проста. Доказателството за съгласувано поведение е много по-сложно. Забележителният руски учен Климонтович, следвайки парадигмата на синергетиката, извлича: за преминаването на всяка система от хаос към самоорганизация отговаря един параметър. Когато надвишава определена критична стойност, нивото на трудност се увеличава. Същият учен за първи път в света доказа, че за турбулентно движение на течност, този критерий е числото на Рейнолдс. Така показателят, който се използва от почти петдесет години, се оказа ключът за откриването на нов период в науката.