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Erhaltung der Masse

1757
Fluiddynamiklabor mit Ingenieuren, die die Strömung in Rohrleitungen analysieren, mit Schwerpunkt auf den Prinzipien der Massenerhaltung.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Im Kontinuum mechanics, the principle of mass conservation states that the mass of a closed system muss remain constant over time. For a fluid, this is expressed by the continuity equation. In its Eulerian differential form, it is written as [latex]\frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \mathbf{u}) = 0[/latex], where [latex]\rho[/latex] is the density and [latex]\mathbf{u}[/latex] is the velocity field.

Die Massenerhaltung ist ein fundamentales Prinzip der Physik, dessen mathematische Formulierung in der Kontinuumsmechanik als Kontinuitätsgleichung bekannt ist. Diese Gleichung beschreibt präzise, ​​wie sich die Dichte eines Materials in Raum und Zeit ändert. Die Gleichung ∂ρ/∂t + ∇ ⋅ (ρ u) = 0 gilt an jedem Punkt des Kontinuums. Der Term ∂ρ/∂t repräsentiert die Änderungsrate der Dichte an einem festen Punkt (den lokalen oder instationären Term), während ∇ ⋅ (ρ u) die Divergenz des Massenstroms ρ u darstellt und somit die Nettomasse beschreibt, die aus einem infinitesimalen Volumen um diesen Punkt abfließt.

Die Gleichung besagt im Wesentlichen, dass eine Zunahme der Dichte an einem Punkt darauf zurückzuführen ist, dass mehr Masse in das infinitesimale Volumen hinein- als herausströmt, und umgekehrt. Im Spezialfall der inkompressiblen Strömung wird angenommen, dass die Dichte ρ eines Fluidteilchens während seiner Bewegung konstant ist. In diesem Fall vereinfacht sich die Kontinuitätsgleichung erheblich zu ∇u = 0. Diese vereinfachte Form findet breite Anwendung in der Modellierung von Flüssigkeiten wie Wasser und in der Aerodynamik niedriger Geschwindigkeiten. Die Kontinuitätsgleichung gehört neben der Impulserhaltung and energy, used in virtually all analyses in fluid dynamics and Festkörpermechanik.

UNESCO Nomenclature: 2209
Fluiddynamik

Typ

Physikalisches Gesetz

Störung

Grundlegendes

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Das philosophische Prinzip der Erhaltung der Materie
  • Entwicklung der Vektorrechnung und des Divergenzsatzes
  • Leonhard Eulers Formulierung der Gleichungen der Fluidbewegung
  • Daniel Bernoullis Arbeiten zur Fluiddynamik

Anwendungen

  • Entwurf von Rohrleitungen und HLK-Systemen, um die richtigen Durchflussraten sicherzustellen
  • Luft- und Raumfahrttechnik zur Berechnung von Luftdichteänderungen um Flugzeuge
  • Hydrologie zur Modellierung von Flussströmungen und Grundwasserbewegungen
  • Meteorologie zur Vorhersage von Wettermustern basierend auf der Bewegung von Luftmassen

Patente:

NA

Potenzielle Innovationsideen

  • self-regulating ‘smart pipes’ that adjust their diameter to maintain constant mass flow under varying pressure
  • Stadtplanungssoftware, die den Fußgängerfluss mithilfe von Kontinuitätsgleichungen modelliert, um Menschenansammlungen zu vermeiden
  • KI-gestützte Logistiksysteme, die Waren in einer Lieferkette als kontinuierlichen Fluss behandeln, um den Lagerbestand zu optimieren
  • fortschrittliche Feuerlöschsysteme, die Kontinuitätsgleichungen verwenden, um die Ausbreitung von Rauch und Hitze in Echtzeit vorherzusagen
  • biologische Modelle, die Kontinuitätsgleichungen verwenden, um Tumorwachstum und Zellpopulationsdynamik zu beschreiben
  • Finanzmarktmodelle, die Handelsvolumen und Kapital als Erhaltungsgrößen in einem Strömungsfeld behandeln
  • Abfallmanagementsysteme, die die Verdichtung von Deponiematerial und die Gasentwicklung anhand von Kontinuumsprinzipien modellieren
  • Datenverkehrsmanagementalgorithmen für Computernetzwerke basierend auf den Prinzipien der flüssigen Kontinuität
Bezogen auf: Kontinuitätsgleichung, Massenerhaltung, Fluiddynamik, Dichte, Geschwindigkeitsfeld, inkompressible Strömung, Divergenz, Massenstrom.

Historischer Kontext

Erhaltung der Masse

1687
1738
1750
1757
1788
1800
1800
1687
1687
1738
1750
1785
1788
1800
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(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

10. Jahr Jubiläum

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