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Conservazione della massa

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Laboratorio di fluidodinamica con ingegneri che analizzano il flusso nelle condutture, enfatizzando i principi di conservazione della massa.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

In continuum mechanics, the principle of mass conservation states that the mass of a closed system dovere 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.

La conservazione della massa è un principio fondamentale della fisica e la sua formulazione matematica nell'ambito della meccanica del continuo è nota come equazione di continuità. Questa equazione fornisce una descrizione precisa di come la densità di un materiale varia nello spazio e nel tempo. L'equazione [latex]frac{partial rho}{partial t} + nabla cdot (rho mathbf{u}) = 0[/latex] è valida in ogni punto del continuo. Il termine [latex]frac{partial rho}{partial t}[/latex] rappresenta la velocità di variazione della densità in un punto fisso (il termine locale o non stazionario), mentre il termine [latex]nabla cdot (rho mathbf{u})[/latex] è la divergenza del flusso di massa ([latex]rho mathbf{u}[/latex]), che rappresenta la velocità netta di flusso di massa in uscita da un volume infinitesimale attorno a quel punto.

L'equazione afferma essenzialmente che se la densità in un punto sta aumentando, ciò deve essere dovuto al fatto che più massa fluisce nel volume infinitesimale di quanta ne fluisce fuori, e viceversa. Per un caso speciale noto come flusso incomprimibile, si assume che la densità [latex]rho[/latex] di una particella di fluido sia costante mentre si muove. In questo caso, l'equazione di continuità si semplifica significativamente in [latex]nabla cdot mathbf{u} = 0[/latex]. Questa forma semplificata è ampiamente utilizzata nella modellazione di liquidi come l'acqua e nell'aerodinamica a bassa velocità. L'equazione di continuità è una delle equazioni di governo fondamentali, insieme alla conservazione della quantità di moto and energy, used in virtually all analyses in fluid dynamics and meccanica solida.

UNESCO Nomenclature: 2209
- Dinamica dei fluidi

Tipo

Legge fisica

Interruzione

Fondamento

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • Il principio filosofico della conservazione della materia
  • Sviluppo del calcolo vettoriale e del teorema della divergenza
  • La formulazione delle equazioni del moto dei fluidi di Leonhard Euler
  • Il lavoro di Daniel Bernoulli sulla fluidodinamica

Applicazioni

  • progettazione di condotte e sistemi HVAC per garantire portate adeguate
  • ingegneria aerospaziale per il calcolo delle variazioni di densità dell'aria attorno agli aeromobili
  • idrologia per la modellazione del flusso fluviale e del movimento delle acque sotterranee
  • meteorologia per la previsione dei modelli meteorologici basati sul movimento delle masse d'aria

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • self-regulating ‘smart pipes’ that adjust their diameter to maintain constant mass flow under varying pressure
  • software di pianificazione urbana che modella il flusso pedonale utilizzando equazioni di continuità per prevenire la congestione della folla
  • sistemi logistici basati sull'intelligenza artificiale che trattano le merci in una catena di fornitura come un flusso continuo per ottimizzare l'inventario
  • sistemi avanzati di soppressione degli incendi che utilizzano equazioni di continuità per prevedere la propagazione del fumo e del calore in tempo reale
  • modelli biologici che utilizzano equazioni di continuità per descrivere la crescita del tumore e la dinamica della popolazione cellulare
  • modelli di mercato finanziario che trattano il volume degli scambi e il capitale come una quantità conservata in un campo di flusso
  • sistemi di gestione dei rifiuti che modellano la compattazione dei materiali di discarica e la generazione di gas utilizzando principi di continuità
  • algoritmi di gestione del traffico dati per reti informatiche basati sui principi di continuità fluida
Argomenti correlati: equazione di continuità, conservazione della massa, dinamica dei fluidi, densità, campo di velocità, flusso incomprimibile, divergenza, flusso di massa.

Contesto storico

Conservazione della massa

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(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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