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Conservazione della quantità di moto nel continuo

1827
  • Augustin-Louis Cauchy
Esperimento di meccanica dei fluidi che dimostra i principi di conservazione della quantità di moto in un contesto di laboratorio.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

For continuous systems like fluids or solids, momentum conservation is expressed in a differential form. The rate of change of momentum density [latex]\rho \vec{v}[/latex] at a point is governed by the divergence of the Tensore delle sollecitazioni di Cauchy [latex]\sigma[/latex] e forze corporee [latex]\vec{f}[/latex]. Ciò è descritto dall'equazione di Cauchy della quantità di moto: [latex]\frac{\partial (\rho \vec{v})}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \vec{v} \otimes \vec{v}) = \nabla \cdot \sigma + \vec{f}[/latex].

Quando si ha a che fare con un continuum, come un fluido o un solido deformabile, non è pratico tracciare le singole particelle. Descriviamo invece il sistema utilizzando campi come densità ([latex]\rho[/latex]), velocità ([latex]\vec{v}[/latex]) e sollecitazione ([latex]\sigma[/latex]) che variano continuamente nello spazio e nel tempo. Il principio di conservazione della quantità di moto viene applicato a un elemento di volume infinitesimale all'interno del continuum.

The Cauchy momentum equation is essentially Newton’s seconda legge applied to this volume element. The term [latex]\frac{\partial (\rho \vec{v})}{\partial t}[/latex] represents the rate of change of momentum within the volume. The term [latex]\nabla \cdot (\rho \vec{v} \otimes \vec{v})[/latex] represents the net rate of momentum flow out of the volume (advection). The term [latex]\nabla \cdot \sigma[/latex] represents the surface forces acting on the volume element due to stress from the surrounding material. The Cauchy stress tensor [latex]\sigma[/latex] is a second-order tensor that describes the state of stress at a point. Finally, [latex]\vec{f}[/latex] represents the body forces (like gravity) acting on the volume.

This equation is a cornerstone of continuum mechanics. When combined with the continuity equation (conservazione della massa) e un'equazione di stato, costituisce la base delle equazioni di Navier-Stokes, fondamentali per la fluidodinamica.

UNESCO Nomenclature: 2209
- Meccanica

Tipo

Sistema astratto

Interruzione

Fondamento

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • Le leggi del moto di Isaac Newton
  • Il lavoro di Leonhard Euler sulla fluidodinamica
  • Il principio di Daniel Bernoulli
  • Sviluppo del calcolo vettoriale e dell'analisi tensoriale

Applicazioni

  • fluidodinamica computazionale (cfd)
  • ingegneria aerospaziale (progettazione delle ali)
  • ingegneria strutturale (analisi delle sollecitazioni)
  • geofisica (convezione del mantello)
  • meteorologia (previsione del tempo)

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • modelli di previsione meteorologica in tempo reale con maggiore precisione
  • progettazione di sistemi di propulsione sottomarina silenziosi
  • sviluppo di cuori artificiali con flusso sanguigno ottimizzato
  • simulazione di eruzioni vulcaniche e flussi di lava
  • ottimizzazione dei processi di miscelazione industriale nell'ingegneria chimica
  • progettazione di motori a combustione interna più efficienti
  • modellazione del flusso sanguigno nelle arterie per prevedere gli aneurismi
  • creation of realistic special effects in movies and videogiochi
  • analisi della stabilità degli edifici durante i terremoti
  • progettazione di dissipatori di calore avanzati per il raffreddamento dell'elettronica
Related to: continuum mechanics, Cauchy momentum equation, stress tensor, fluid dynamics, momentum density, divergence, body force, Navier-Stokes equations, meccanica solida, advection.

Contesto storico

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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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