Akışkanlar Mekaniği

Akışkanlar mekaniği, akışkan olarak adlandırılan maddelerin (genel olarak sıvılar ve gazlar, bunların dışında da bazı diğer maddeler) fiziksel davranışlarını inceleyen bilim dalıdır.

Başlıca Akışkan Statiği ve Akışkan Dinamiği olmak üzere ikiye ayrılır.

Akışkanlar mekaniği bilimi temel mühendislik bölümlerinden olan gıda, hidrojeoloji, inşaat, makine, nükleer enerji , kimya, tekstil ve su ürünleri mühendisliklerinde zorunlu olarak okutulur. Akışkanlar mekaniği konuları basit bir boyut analizi ile baslayip vizkozite ardından sıvı ve gaz basınçlarının incelenmesiyle devam eder. Bernoulli süreklilik denklemleriye değişkenlerden bilinmeyenler bulunabilir. Navier-Stokes denklemleri yardımıyla 3 boyutlu basınç gradyenlerine ulaşılabilir. Bunlar oldukça karmaşık olduklarından genelde çözümlerinde çok güçlü bilgisayarlar kullanılmaktadır.

Akışkanlarla ilgili bilinen ilk çalışmalar Archimedes (MÖ 285-212) tarafından yapılmıştır. Archimedes 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.

Newton’un (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 Pier 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 Françis (1815- 1892), Jean Louis Marie Poiseouille (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. Henri Navier (1785-1836) ve George Stokes (1819-1903) Newtonian akışlara 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.

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.

Hidrolik

Hidrolik kelimesi Yunan dilindeki  (hydraulikos) kelimesinden gelir. Bu kelimede kök olarak su ve boru kelimelerinden gelmektedir.

Hidrolik, sıvıların mekanik özelliklerini inceleyen bir mühendislik dalıdır. Sıvı gücünün faydalı bir şekilde disipline edilmesini konu edinmiştir. Akışkanlar mekaniği, hidrolik için akışkan özelliklerinin mühendislik kullanımına yönelik olarak teorik temeller sağlar. Kısaca hidrolik, akışkanlar mekaniğinin mühendislik yaklaşımıyla ele alınıp günlük hayata uygunmasından ibarettir.

En eski hidrolik bilimciler Ctesibius ve İskenderiyeli Heron’dur. Bu antik çağ mühendisleri daha çok hidroliğin dinsel ayin tören vb. gibi konulardaki pratik kullanımları ile ilgilenmişlerdir. Modern hidroliğin kurucusu ise Galileo Galilei’nin öğrencisi olan Benedetto Castelli ‘dir.

Hidrolik biliminin sanayideki uygulamalarına güç hidroliği ya da endüstriyel hidrolik adı verilir. Makine mühendisliği’nin ilgi alanına giren bu kısım güç ve kuvvet ihtiyacının olduğu endüstrinin hemen her kolunda kullanılır. Hidrolik enerji ile doğrusal, dairesel ve açısal hareket üretmek için hazırlanan sistemlere hidrolik sistem denilmektedir.
Akışkan olarak basınçlı havanın kullanıldığı sistemlere pnömatik sistemler denilir. Hidrolik, büyük kuvvetlerin istendiği ve gücün ön planda olduğu, pnömatik ise küçük kuvvetlerin yeterli olduğu buna mukabil hızın ön planda olduğu yerlerde tercih edilir.
Hidrolik devrelerde su, korozif olması sebebiyle çok nadir durumlar dışında tercih edilmemektedir. Güç hidroliğinde akışkan olarak petrol türevli yağlar (hidrolik akışkanlar) kullanılmaktadır. Bu yağlardan beklenen en önemli özellik sıkıştırılamaz olması ve sistem elemanlarını korozyondan korumasıdır.

Su hidroliği, inşaat mühendislerinin ilgi alanına girer ve inşaat mühendisliğinin alt dalları olan hidrolik ve su kaynakları mühendisliğinin ilgi alanı su yapıları, suyun taşınması, arıtılması gibi konulardır. Barajlar, su kanalları, su arıtma tesisleri, limanlar, kıyı yapıları, içme suyu, kanalizasyon işleri, yeraltı suları, pompalama ve sulama işlemleri, nehir aşınmaları, drenaj çalışmaları gibi alanlar hidrolik mühendisliğinin başlıca ilgi alanlarını oluşturmaktadır.