Akışkanlar mekaniği

Akışkanlar mekaniği, akışkanların (sıvılar, gazları ve plazmalar) davranışlarını ve onlara etkiyen kuvvetleri inceleyen fizik dalı. Makine, inşaat, kimya ve biyomedikal gibi mühendislik dallarının yanı sıra jeofizik, okyanus bilimi, meteoroloji, astrofizik, ve biyoloji gibi farklı birçok disiplinde kullanılır.

Durağan hâldeki akışkanların incelendiği akışkanlar statiği ve hareket hâlindeki akışkanların incelendiği akışkanlar dinamiği olmak üzere ikiye ayrılır. Özellikle akışkanlar dinamiği olmak üzere akışlar mekaniği, aktif bir araştırma alanıdır. Birçok problem ya kısmen ya da tamamen çözülememiş durumdadır ve genellikle bilgisayar kullanılarak sayısal yöntemlerle sonuçlar bulunmaya çalışılır. Bu yaklaşım, hesaplamalı akışkanlar dinamiğinin (HAD) konusudur. Bunun dışında deneysel yaklaşımlar da mevcuttur.

Akışkanlar mekaniği çalışmaları; Antik Yunanistan'da Arşimet'in akışkanlar statiği araştırmalarına kadar gitmekle beraber, akışkanlar mekaniği üzerine ilk çalışma kabul edilen Arşimet Prensibi'ne kadar dayanan bir geçmişe sahiptir. Akışkanlar mekaniğindeki hızlı gelişme; Leonardo da Vinci (gözlem ve deneyler), Evangelista Torricelli (barometrenin icadı), Isaac Newton(viskozite araştırmaları) ve Blaise Pascal (hidrostatik araştırmaları ve Pascal yasası ile başlamıştır. Hidrodinamikteki matematiksel akışkan dinamiğine girmesi ile Daniel Bernoulli tarafından devam ettirilmiştir.

Akışkanlarla ilgili bilinen ilk çalışmalar Arşimet (MÖ 285-212) tarafından yapılmıştır. Arşimet suyun kaldırma kuvvetinden hareketle, akışkanlar için bir takım hesaplama yöntemleri geliştirmiştir. Ancak, akışkanlarla ilgili esas gelişmeler Rönesans'tan sonra olmuştur.

Akışkanlar mekaniğinde en önemli gelişmeyi Leonardo da Vinci (1452-1519) yapmıştır. Vinci, tek boyutlu-sürekli akış için süreklilik denklemini çıkararak dalga hareketleri, jet akışları, hidrolik sıçramalar, eddy oluşumu ve sürüklenme kuvvetleri hakkında bilgiler vermiştir.

Isaac Newton'ın (1642-1727) yerçekimi kanununu bulmasından sonra yerçekimi ivmesi de hesaplara katılmıştır. Sürtünmesiz akışlarda en önemli gelişmeleri Daniel Bernoulli (1700-1782), Leonard Euler (1707-1783), Joseph-Louis Lagrange (1736- 1813) ve Pierre-Simon Laplace (1749-1827) yapmışlardır. Euler şimdi Bernoulli denklemi olarak bilinen bağıntıları ilk geliştirendir. Açık kanal akışları, boru akışları, dalgalar, türbinler ve gemi sürüklenme katsayıları üzerinde Antonie de Chezy (1718-1789), Henri Pitot (1695-1771),Wilhelm Eduard Weber (1804-1891), James Bicheno Francis (1815- 1892), Jean Léonard Marie Poiseuille (1799-1869) yaptıkları deneysel çalışmalarla akışkanlar mekaniğinin geliştirilmesinde önemli katkılarda bulunmuşlardır.

William Froude (1810-1879) ve oğlu Robert (1846-1924) modelleme kanunlarını geliştirmesinden sonra, Lord Rayleigh (1842-1919) boyut analizi tekniğini ve Osborne Reynolds (1842-1912) klasik boru deneyini (1883) geliştirerek akışkanlar mekaniğinde çok önemli olan boyutsuz sayıları bulmuşlardır. Claude-Louis Navier (1785-1836) ve George Gabriel Stokes (1819-1903) akış denklemine sürtünme terimlerini de ilave ederek, bütün akışları analiz etmede başarıyla uygulanan ve günümüzde Navier-Stokes denklemleri olarak bilinen momentum denklemlerini bulmuşlardır.

Ludwig Prandtl (1875-1953) yüzeye yakın yerlerde sınır tabakanın (1904) etkili olduğunu onun dışında ise sürtünme kuvvetlerinin olmadığı durumlarda Bernoulli denkleminin uygulanabileceğini göstermiştir. aynı şekilde çok geniş teorik ve deneysel çalışmalar Thedore von Karman (1881-1963) ve Geofrey Taylor (1886-1975)’un yanında pek çok araştırmacı tarafından da yapılmış ve yapılmaktadır.

Mekanik bakış açısıyla, akışkanlar kayma gerilmesine dayanamazlar, bu sebeple durağan hâldeyken bulundukları kabın şeklini alırlar. Durağan denge hâlindeki bir akışkanın kayma gerilmesi sıfırdır.