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魅麗。花火原創小說66折起
流體力學究竟在說什麼?:簡單讀懂流體力學的奧妙
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商品簡介
書摘/試閱

商品簡介

這是一本以學生之觀點撰寫的教科書
是工程與技職科系學生克服學習流體力學恐懼症的工具

這是一本比科普更深入更人性化的案頭書
期許一般大眾領略大自然力量與奧妙並讚嘆歷史長河中人類的智慧

流體力學對於理工科系學生而言,似乎都是艱深的一門課,被「當」者大有人在,普通人更只能望其項背,而失去認識大自然的機會,殊為可惜,因為人類無論了解大自然與否,時時刻刻都生活在流體的世界中,不了解它就受其肆虐,了解它 就為我們應用造福人類,也許就是達到中國人所謂之天人合一境界吧!

流體力學並不難學,「順藤摸瓜、循序漸進」,從日常生活及大自然中觀察、比較,建立正確之基本觀念,加上一些邏輯分析與判斷來學習,就可領略流體的奧妙,令人生畏的數學只是描述其美麗的工具而已。
本書跳出一般中英文教科書定理、公式、證明等見樹不見林之枯燥窠臼,尤其多年來與學生之教學相長中體會到學生學習的困難與盲點,以更簡單、更人性的方法解釋看似抽象的流體世界。

前 言

流體力學對於理工科系學生而言,似乎都是艱深的一門課,被「當」者大有人在,普通人更只能望其項背,而失去認識大自然的機會,殊為可惜,因為人類無論了解大自然與否,時時刻刻都生活在流體的世界中,不了解祂就受其肆虐,了解祂就為吾人應用造福人類,也許就是達到中國人所謂之天人合一境界吧。

雖然是很多學生的夢靨,但其實流體力學並不難學,「順藤摸瓜、循序漸
進」,從日常生活及大自然中觀察、比較,建立正確之基本觀念,加上一些邏輯分析與判斷來學習,就可領略流體的奧妙,令人生畏的數學只是描述其美麗的工具而已。本書希望能跳出一般中英文教科書定理、公式、證明等見樹不見林之枯燥窠臼,尤其多年來與學生之教學相長中體會到學生學習的困難與盲點,設身處地,以更簡單、更人性的方法解釋看似抽象的流體世界,就成為寫書之初心,例如巴斯葛定理告訴我們壓力( 場) 是純量( 場),但如何用邏輯推論得出千斤頂能頂起汽車之結果?”1 ”、「溫度」也是純量( 場)( 甚至能量) 為何無法頂起?本書期望提供工程與技職科系學生一另類之學習工具外,更希望對於一般大眾,只要具備普通科學常識,不須深入了解公式,從圖文中就可將其當作科普書籍而一探究竟,領略流體之力量與奧妙。本書文字部分盡量淺白詼諧,以期避免成為讀者之催眠神器,也將複雜數學部分置於附錄,以期閱讀之流暢,教授者可略過較艱深之部分 ( 以 ※ 標示 )。本書未附錄物質特性圖表,讀者需要時可使用網路搜尋所需之資訊。

本書各章重點如下:

第一章:介紹工程上之單位與其重要性。流體中最為特殊的就是黏性、黏滯力、「非滑動現象」等,以及流體力學最重要的方程式之一 - 「牛頓黏滯力方程式」( 摩擦力與黏性、速度分佈之關係)。

第二章:本章介紹流體力學之基本重要觀念- 壓力與壓力梯度,在應用上,例如設計水庫、船艦、壓力合力與施力點、浮力等,此章為修習土木、水利、海洋工程等之基礎概念介紹。

第三章:此章介紹流體中動能、位能、與壓力之能量守衡關係,及所連帶出流體力學中最奇妙又迷人之樂章 - 伯努力方程式,及其衍生有趣甚至可怕之現象,例如空泡化,亦即「水能載舟亦能覆舟」 - 人類才能避禍就福的與流體世界共存共榮。

第四章: 本章介紹一個其他學科中鮮少討論之觀念- 觀測法與觀測對象不同,得到的結果大不相同。我們所熟知( 對於「系統」而言) 之守衡定律,在流體世界裡並非完全實用,而需使用對某一限定區域(「控制容積」) 分析其變化,及本書所強調使用於控制容積之「OIS」觀念,可大大簡化流體與流場之分析,甚至可應用於分析日常生活中之損益得失。

第五章: 延續前章,將控制容積之OIS 觀念應用到各種守衡分析上,尤其在了解流體中複雜之「力」、及能量,如何影響流場,進而學習如何使用大自然中流體之力量與能量。

第六章: 相對於前一章之有限( 非無窮小) 控制容積分析,本章乃針對流體中無窮小之一點做分析,此分析之優點乃其結果可適用於流體中任何位置,代表此種分析可以得到流場各點無窮之訊息,此章為修習進階流體力學之數學基礎。

第七章: 黏滯力對於流體之最直接影響就是表現在管路中,例如速度分佈、壓力降、以及層流與紊流等現象,此章中流體能量損失(「主要」與「次要」損失) 計算乃工程中非常實際之問題。
第八章:對應於第七章,本章討論流體對物體外在之影響。本章亦介紹古典流體力學重大進度之里程碑 - 流線函數、速度勢; 以及近代流體力學發展之紊流、邊界層理論及其對阻力之影響,以期補足一般大學部學習之不足; 尤其在邊界層中,流體力學、對流熱傳、甚至於化工質傳,大自然似乎都安排了奇妙的相似性。本書未加入研究所才常討論之因次分析與可壓縮流體。

宇宙萬物似乎冥冥中均有其運行之規則,英文中有"Go with the flow"、”Ride the wave”之灑脫諺語,中文中有「達觀隨寓兮,奚必予宮」之豁達詩詞,”Hold water”才能站得住腳,”Does not hold water”就太扯了,“Be water, my friend”就是李小龍的功夫哲學,「人義水甜」就是好,「水」就是美…,古今中外文化中隱然都崇尚嚮往風調雨順之流體世界。本書之出版感謝紅螞蟻書局鼎力支持,尤其董事長李錫東先生之啟示與激勵:「寫書之目的: 一是有用,一是有趣」。 感謝家人鼓勵及老婆的白天嘮叨擔心晚上打氣相挺,並謹以此書獻給摯愛的雙親。

王曉剛
義守大學 機械與自動化工程系
中華民國108 年吉日

書摘/試閱

1.2 流體之特性- 黏滯力(viscous force)與黏性(stickiness)

在美國紐約上州Troy 求學的第一個冬天,一日早上發動不了掛西岸車牌的二手老爺車,電瓶還有電,拖吊到修車行後修車師傅笑問:“What engine oil did you feed her ?”讀者認為問題出在哪?
黏性就像是「黏稠度」或「分子的的吸引力」。因此,水是「稀薄」的,黏性較低,而機油是「濃稠」的,黏性較高 – 黏性是物質之特性。不同於黏性,黏滯力只存在於速度不平均( 流動變形) 之流場中,是一種流動時之現象。
例如,番茄醬因為其結構濃稠固有高「黏性」,但其靜置時無任何速度差異而無黏滯「力」產生;反之,若要將其倒出,則須用力向下抖動使番茄醬產生「速度差異之變形」才能倒出,此力則為「黏滯力」 - 黏滯力讓流體產生「變形」。所以黏滯力的兩個因素就是本身的「黏性」與流動時「速度不平均造成變形」,缺一不可。

「理想流體( 非黏滯流體)」(ideal, perfect, non-viscous, inviscid, non-friction fluid) 沒有黏性,真實流體都有黏性,會「黏在」邊界物質上拖慢速度。離邊界較遠處速度不受影響為等速,此等速區域中,即使流體很黏,還是沒有黏滯力而可假設為非黏滯流體。

「剪應力」(shear stress,τ,念做tau) (N/m2),單位與壓力一樣,但施力平行於表面。固體與流體對於剪應力之反應大不相同:固體:固體受力時之「變形角度」(deformation angle) 正比於施力,就像彈簧之「虎克定律」(Hooke’s Law),如圖1.1 所示,即「變形角度」θ 正比於外力。

流體(液體或氣體):不同於固體,剪應力施於流體時,流體之變形角度會隨時間一直增加,而此角度之「變形速率」與流體之黏稠度相反,也就是在同樣時間內越黏的流體變化之角度較小,越不黏的流體變化的角度就越大,如圖1.2 所示,流體中因剪應力而產生之變形就像書本中頁數之滑動,兩接觸頁面間之剪應力乘上頁面面積就是力 – 流體「摩擦力」。

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