Τι είναι ο αριθμός Reynolds και τι σημαίνει;

Ο αριθμός Reynolds είναι μια αδιάστατη ποσότητα που δηλώνει εάν η ροή ενός ρευστού σε μια επιφάνεια είναι στρωτή ή τυρβώδης.

Ο κόσμος της επιστήμης είναι γεμάτος αριθμούς. Υπάρχουν διαφορετικές παράμετροι που χρησιμοποιούνται για τον καθορισμό συγκεκριμένων διεργασιών ή οντοτήτων, γεγονός που έχει κάνει τη ροή των πληροφοριών αρκετά απλή. Οι παγκοσμίως αποδεκτοί κανόνες και μονάδες έχουν παίξει ζωτικό ρόλο στις προόδους που έχει κάνει η ανθρωπότητα. Διαφορετικές ομάδες επιστημόνων που εργάζονται σε διαφορετικά εργαστήρια σε όλο τον κόσμο μπορούν να μοιράζονται αποτελεσματικά την έρευνά τους επειδή οι επιστημονικοί όροι σημαίνουν το ίδιο πράγμα παντού.

Μια τέτοια παράμετρος που χρησιμοποιείται ευρέως στον τομέα της επιστήμης είναι ο αριθμός Reynolds. Εισήχθη για πρώτη φορά από τον George Stokes το 1851, η έννοια του αριθμού Reynolds πήρε το όνομά του από τον καινοτόμο Osborne Reynolds, ο οποίος έκανε δημοφιλή την ιδέα στα τέλη του 19ου αιώνα. Σήμερα είναι ένα από τα πρώτα πράγματα που διδάσκονται σε κάποιον που ακολουθεί εκπαίδευση στον τομέα της επιστήμης και της μηχανικής. Λοιπόν… ποιος είναι αυτός ο ειδικός αριθμός Reynolds;

Τι είναι ο αριθμός Reynolds;

Κάθε φορά που ένα αντικείμενο κινείται σε οποιοδήποτε είδος περιβάλλοντος, αλλάζει τις συνθήκες του περιβάλλοντος και επομένως υπόκειται σε μια δύναμη που δημιουργείται ως αποτέλεσμα αυτής της αλλαγής. Σκεφτείτε για παράδειγμα έναν κολυμβητή που κινείται σε ένα ρεύμα νερού. Καθώς περνάει μέσα από το νερό, εκτοπίζει τα μόρια του νερού από τη θέση τους και τα μόρια του νερού, με τη σειρά τους, προσπαθούν να αποκτήσουν ξανά την αρχική τους θέση ασκώντας μια δύναμη (ή αντίσταση) ενάντια στην κίνηση του κολυμβητή. Όταν τέτοια αντικείμενα ρέουν σε οποιοδήποτε τέτοιο ρευστό, η αντίσταση στη ροή τους και επομένως τα μοτίβα ροής τους προβλέπονται από μια αδιάστατη ποσότητα που ονομάζεται Αριθμός Reynolds. Η ιδέα είναι εφαρμόσιμη στην κίνηση κάθε αντικειμένου σε οποιοδήποτε περιβάλλον εκτός από ένα κενό, το οποίο δεν έχει δικά του μόρια. Ο αριθμός Reynolds σε έναν αισθητήρα χρησιμοποιείται για την πρόβλεψη της αεροδυναμικής και των μοτίβων ροής ενός ρευστού.

Κατανοώντας τον αριθμό του Reynolds πιο επιστημονικά

Αδρανειακή δύναμη

Ο επιστημονικός ορισμός του αριθμού Reynolds δηλώνει ότι είναι μια αναλογία μεταξύ της δύναμης αδράνειας στο κινούμενο αντικείμενο προς τη δύναμη ιξώδους ή τριβής. Ας προσπαθήσουμε να καταλάβουμε τι κάνουν αυτές οι δυνάμεις. Όταν τρέχετε με μια συγκεκριμένη ταχύτητα και προσπαθείτε να σταματήσετε, απαιτεί μια συγκεκριμένη ποσότητα δύναμης, καθώς το σώμα θέλει να συνεχίσει να τρέχει. Ομοίως, το σώμα σας σε κατάσταση ηρεμίας χρειάζεται μια ώθηση ή κάποιο είδος δύναμης για να ξεκινήσει το τρέξιμο εξαρχής, καθώς θέλει να συνεχίσει να είναι σε ηρεμία. Αυτή η τάση ενός σώματος να αποφεύγει την αλλαγή και να συνεχίζει να βρίσκεται στην υπάρχουσα κατάσταση ηρεμίας ή κίνησης ονομάζεται αδράνεια. Η ιδιότητα της αδράνειας εισήχθη από τον Νεύτωνα και είναι μια από τις πιο θεμελιώδεις και καθολικά εφαρμόσιμες έννοιες της φυσικής.

Ιξώδη δύναμη

Το ιξώδες ή οι δυνάμεις ιξώδους είναι μια σχετικά νέα έννοια, σε σύγκριση με την αδράνεια. Ανακαλύφθηκε το 1829 από τον Γάλλο φυσικό Jean-Louis-Marie Poiseuille ενώ μελετούσε την κυκλοφορία του αίματος στο ανθρώπινο σώμα. Μετρά την αντίσταση που παρέχει ένα ρευστό έναντι της παραμόρφωσής του. Όταν ένα ρευστό βρίσκεται σε κίνηση, υπάρχει τριβή μεταξύ των διαφορετικών στρωμάτων του που προσπαθεί να σταματήσει την ελεύθερη κίνηση του ρευστού. Αυτή η δύναμη τριβής ποσοτικοποιείται ως προς το ιξώδες, το οποίο συχνά αποδίδεται ως «πάχος», στην περίπτωση των υγρών. Όταν ένα ρευστό τίθεται σε κίνηση, υπάρχει μια συνεχής μάχη μεταξύ της αδρανειακής δύναμης που θέλει να το κρατήσει σε κίνηση και της ιξώδους δύναμης που προσπαθεί να το σταματήσει. Ο αριθμός Reynolds είναι απλώς ένας δείκτης του ποιος κερδίζει τον αγώνα.

Το ιξώδες των διαφορετικών ρευστών (Photo Credit :Nasky/ Shutterstock)

Εάν κυριαρχούν οι ιξώδεις δυνάμεις, έχουμε έναν τύπο ροής που ονομάζεται στρωματική . Εάν κυριαρχούν οι αδρανειακές δυνάμεις, η ροή γίνεται ταραγμένη. Ο αριθμός Reynolds λέει ποιος από αυτούς τους δύο τύπους κινήσεων θα επικρατήσει.

Λασματική ροή

Η στρωτή ή ομαλή ροή απεικονίζει τον ιδανικό τύπο ροής, όπου το ρευστό κινείται σε απειροελάχιστα παράλληλα στρώματα χωρίς διακοπή μεταξύ αυτών των δύο στρωμάτων. Το ρευστό ταξιδεύει ομαλά σε κανονικές διαδρομές και μπορείτε να προβλέψετε ανά πάσα στιγμή τη θέση ενός συγκεκριμένου σωματιδίου. Τα στρώματα του ρευστού σε μια τέτοια ροή πιστεύεται ότι γλιστρούν το ένα πάνω στο άλλο και οι δυνάμεις ιξώδους δεν μπαίνουν στο παιχνίδι. Σκεφτείτε, για παράδειγμα, ένα παχύρρευστο ρευστό που ρέει ομαλά μέσω ενός σωλήνα ή σωλήνα. Ως αποτέλεσμα του ιξώδους του, το ρευστό έχει μηδενική ταχύτητα στις άκρες όπου έρχεται σε επαφή με την επιφάνεια, ενώ η ταχύτητά του αυξάνεται προς το κέντρο της διατομής του σωλήνα. Αυτό είναι ένα τέλειο παράδειγμα στρωτής ροής.

Η ροή αέρα πάνω από τα φτερά είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα στρωτής ροής (Photo Credit :StaticFlickr)

Καθημερινά παραδείγματα στρωτής ροής περιλαμβάνουν τη ροή αέρα πάνω από ένα φτερό αεροσκάφους. Η σχέση μεταξύ του αριθμού Reynolds και της στρωτής ροής εξαρτάται από τον τύπο του συστήματος που υπάρχει στην επιφάνεια στην οποία ρέει το ρευστό. Για ροές σε σωλήνα, η στρωτή ροή εμφανίζεται γενικά κάτω από τον αριθμό Reynolds 1800. Για ροές σε πλάκα, ο αριθμός αυτός αυξάνεται στα 0,5 εκατομμύρια.

Τυρβώδης ροή

Η τυρβώδης ροή είναι ακριβώς το αντίθετο από τη στρωτή. Περιλαμβάνει ακανόνιστες διακυμάνσεις και ανάμειξη μέσα σε ένα υγρό, γεγονός που καθιστά τη διαδρομή του απρόβλεπτη. Μια τέτοια εκκένωση χαρακτηρίζεται από άνευ προηγουμένου και χαοτικές αλλαγές στην ταχύτητα και την πίεση του ρευστού. Τα σωματίδια του ρευστού διαθέτουν περίσσεια κινητικής ενέργειας, η οποία βοηθά στην υπέρβαση του ιξώδους της επιφάνειας. Σκεφτείτε ένα φράγμα ως παράδειγμα:όταν οι πύλες του ανοίγουν ξαφνικά, το νερό αναβλύζει με τυχαία σειρά, καταλαμβάνοντας όποιο χώρο μπορεί. Αυτό είναι ένα παράδειγμα τυρβώδους ροής. Η ροή των ποταμών και του ανέμου είναι γενικά ταραχώδης με αυτή την έννοια, ακόμα κι αν τα ρεύματα φαίνονται ήπια.

Dam Water Release- Turbulent Flow (Photo Credit :NaMo Stock/ Shutterstock)

Ο αριθμός Reynolds για τυρβώδη ροή εξαρτάται και πάλι από τον τύπο του συστήματος στη συγκεκριμένη περίπτωση. Για τη ροή σε σωλήνες, η τυρβώδης ροή εμφανίζεται γενικά για έναν αριθμό Reynolds μεγαλύτερο από 2100. Το εύρος 1800-2100, σε αυτή την περίπτωση, ονομάζεται περιοχή μετάβασης και είναι ένα αρκετά περίπλοκο φαινόμενο. Για τη ροή πάνω από τις πλάκες, το 0,5 εκατομμύρια είναι ο κρίσιμος αριθμός Reynolds και όλες οι ροές που εμφανίζονται πάνω από αυτό το νούμερο είναι τυρβώδεις.