Bernoulli ilkesi

Akışkanlar dinamiğinde Bernoulli prensibi, sürtünmesiz bir akış boyunca, hızda gerçekleşen bir artışın aynı anda ya basınçta ya da akışkanın potansiyel enerjisinde azalmaya neden olduğunu ifade eder.[1][2] Bernoulli prensibi, adını Hollanda-İsviçre kökenli matematikçi Daniel Bernoulli'den almıştır. Bernoulli bu prensibini 1738 yılında Hydrodynamica adlı kitabında yayınlamıştır.[3]

Venturimetreye giren bir hava akımı

Bazen Bernoulli denklemi olarak da geçen bu prensip farklı türlerde akışkan debileri üzerinde uygulanabilir. Aslında farklı türlerde akışkanlar için farklı Bernoulli denklemleri vardır. Bernoulli prensibinin en basit hâli sıkıştırılamaz akışkanlar (örn. çoğu sıvı akışkanlar) ve düşük Mach sayısında hareket eden sıkıştırılabilir akışkanlar (örn. gazlar) için geçerlidir.

Bernoulli prensibi, enerjinin korunumu yasasından çıkarılabilir. Buna göre sabit bir akımda, bir yolda hareket eden akışkanın sahip olduğu tüm mekanik enerjilerin toplamı yine bu yol üzerindeki her noktada eşittir. Bu ifade kinetik ve potansiyel enerji toplamlarının sabit olduğunu ifade eder. Bu yüzden akışkanın hızındaki herhangi bir artış, akışkanın dinamik basıncını ve kinetik enerjisini orantılı olarak artırırken statik basıncını ve potansiyel enerjisini düşürür.

Bernoulli prensibi, direkt olarak Newton'un 2. yasasından da elde edilebilir. Eğer küçük hacimli bir akışkan yatay olarak yüksek basınçlı bölgeden düşük basınçlı bölgeye doğru ilerliyorsa, arkada; önde olduğundan daha fazla basınç var demektir. Bu, akışkan üzerinde net bir kuvvet uygulayarak akım çizgisi boyunca hızlanmasını sağlar.[4][5]

Sıkıştırılamaz akış denklemi

Bernoulli sıvılar üzerinde deneyler yapmıştır ve denklemi de yalnızca sıkıştırılamaz akışlar için geçerlidir. Bernoulli denkleminin yaygın bir hâli aşağıdaki gibidir. (Yer çekimi sabit)

${\displaystyle {v^{2} \over 2}+gz+{p \over \rho }={\text{sabit}}}$

Bu denklemde:

${\displaystyle v\,}$ akım çizgisinde, seçilen noktadaki akış hızı,

${\displaystyle g\,}$ yer çekimi,

${\displaystyle z\,}$ referans düzlemi üzerindeki elevasyon (yükseklik farkı)

${\displaystyle p\,}$ seçilen noktadaki basınç

${\displaystyle \rho \,}$ yoğunluk

Bernoulli denkleminin uygulanabilmesi için aşağıdaki varsayımlar karşılanmalıdır:[6]

• akış daimi olmalıdır, akış parametreleri (hız, yoğunluk vs.) zamana bağlı olarak değişmemelidir.
• akış sıkıştırılamaz olmalıdır - basınç değişse bile, akım çizgisi boyunca yoğunluk sabit kalmalıdır.
• viskoz kuvvetlerinin yarattığı sürtünme ihmal edilebilir olmalıdır.

Korunumlu kuvvet alanları (yerçekimi alanı ile sınırlı değildir) için Bernoulli denklemi şu şekilde genelleştirilebilir:[7]

${\displaystyle {\frac {v^{2}}{2}}+\Psi +{\frac {p}{\rho }}={\text{sabit}}}$

Burada Ψ, akım çizgisi üzerinde alınan noktadaki kuvvet potansiyelidir. Örneğin, Dünya'nın yerçekimi için Ψ = gz.

İlk denklem, akışkanın yoğunluğuyla ${\displaystyle \rho }$ çarpılarak aşağıdaki ifadeler elde edilebilir.

${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}\,\rho \,v^{2}\,+\,\rho \,g\,z\,+\,p\,=\,{\text{sabit}}\,}$

ya da:

${\displaystyle q\,+\,\rho \,g\,h\,=\,p_{0}\,+\,\rho \,g\,z\,=\,{\text{sabit}}\,}$

Bu denklemde:

• ${\displaystyle q\,=\,{\tfrac {1}{2}}\,\rho \,v^{2}}$ dinamik basınç,
• ${\displaystyle h\,=\,z\,+\,{\frac {p}{\rho g}}}$ hidrolik yükseklik (z yüksekliği ve basınç yüksekliği toplamı)[8][9]
• ${\displaystyle p_{0}\,=\,p\,+\,q\,}$ toplam basınç (statik basınç p ve dinamik basınç q toplamı).[10]

Denklem, içindeki sabit normalize edilerek yük formunda yazılabilir, böylece H toplam yük olmak üzere:

${\displaystyle H=z+{\frac {p}{\rho g}}+{\frac {v^{2}}{2g}}=h+{\frac {v^{2}}{2g}}}$

denklemi elde edilebilir.

Basitleştirilmiş form

Bernoulli denkleminin birçok uygulamasında, akım çizgisi boyunca ρgz terimindeki değişiklik, diğer terimlere kıyasla göz ardı edilebilecek kadar küçüktür. Örneğin, seyir hâlindeki bir uçağın akım çizgileri boyunca z yüksekliğindeki değişiklik oldukça küçüktür ve ρgz terimi ihmal edilebilir. Böylece yukarıdaki denklem aşağıdaki basitleştirilmiş biçimde de kullanılabilir:

${\displaystyle p\,+\,q\,=\,p_{0}\,={\text{sabit}}}$

Yani Bernoulli denklemi basitleştirilmiş şekliyle şöyle ifade edilebilir:[11]

statik basınç + dinamik basınç = toplam basınç

Daimi bir akıştaki her noktanın, o noktadaki akışkan hızından bağımsız olarak, kendi statik basıncı p ve dinamik basıncı q vardır. Bunların toplamı p + q da toplam basınç p₀ olarak tanımlanır. Bernoulli prensibinin böylece "bir akım çizgisi boyunca toplam basınç sabittir" şeklinde özetlenebilir.

Eğer akış dönümsüz ise her akım çizgisi üzerindeki toplam basınç aynı olur ve Bernoulli prensibi "toplam basınç, akışın her yerinde sabittir" şeklinde özetlenebilir.[11] Büyük bir akışkan kütlesinin katı bir cisimden geçtiği herhangi bir durumda irrotasyonel akış varsayılabilir. Örnek olarak seyir hâlindeki uçaklar ve açık su kütlelerinde hareket eden gemiler verilebilir. Öte yandan Bernoulli prensibinin sınır tabakasına veya uzun borulardaki akışlara uygulanamadığını hatırlamak önemlidir.

Bir akım çizgisi üzerinde bir noktada akış durdurulursa, bu noktaya durma noktası denir ve bu noktadaki toplam basınç, durma basıncına eşittir.

Kaynakça

1. Clancy, L.J., Aerodynamics, Chapter 3.
2. Batchelor, G.K. (1967), Section 3.5, pp. 156–64.
3. "Hydrodynamica". Britannica Online Encyclopedia. 14 Mayıs 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 30 Ekim 2008.
4. "If the particle is in a region of varying pressure (a non-vanishing pressure gradient in the x-direction) and if the particle has a finite size l, then the front of the particle will be ‘seeing’ a different pressure from the rear. More precisely, if the pressure drops in the x-direction (dp/dx < 0) the pressure at the rear is higher than at the front and the particle experiences a (positive) net force. According to Newton’s second law, this force causes an acceleration and the particle’s velocity increases as it moves along the streamline... Bernoulli’s equation describes this mathematically (see the complete derivation in the appendix)."Babinsky, Holger (Kasım 2003), "How do wings work?" (PDF), Physics Education
5. "Acceleration of air is caused by pressure gradients. Air is accelerated in direction of the velocity if the pressure goes down. Thus the decrease of pressure is the cause of a higher velocity." Weltner, Klaus; Ingelman-Sundberg, Martin, Misinterpretations of Bernoulli's Law, 29 Nisan 2009 tarihinde kaynağından arşivlendi, erişim tarihi: 26 Kasım 2011
6. Batchelor, G.K. (1967), §5.1, p. 265.
7. An Introduction to Fluid Dynamics. Cambridge: Cambridge University Press. 2000. ISBN 978-0-521-66396-0. 27 Temmuz 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 13 Haziran 2020.
8. Mulley, Raymond (2004). Flow of Industrial Fluids: Theory and Equations. CRC Press. ISBN 0849327679., 410 pages. See pp. 43–44.
9. Chanson, Hubert (2004). Hydraulics of Open Channel Flow: An Introduction. Butterworth-Heinemann. ISBN 0750659785., 650 pages. See p. 22.
10. Oertel, Herbert; Prandtl, Ludwig; Böhle, M.; Mayes, Katherine (2004). Prandtl's Essentials of Fluid Mechanics. Springer. ss. 70-71. ISBN 0387404376.
11. Aerodynamics. Wiley. 1975. ISBN 978-0-470-15837-1. 27 Temmuz 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 13 Haziran 2020.

Bibliyografya

• Batchelor, G.K. (1967). An Introduction to Fluid Dynamics. Cambridge University Press. ISBN 0521663962.
• Clancy, L.J. (1975). Aerodynamics. Pitman Publishing, London. ISBN 0273011200.
• Lamb, H. (1993). Hydrodynamics (6. bas.). Cambridge University Press. ISBN 9780521458689.
• Chanson, H. (2009). Applied Hydrodynamics: An Introduction to Ideal and Real Fluid Flows. CRC Press, Taylor & Francis Group. ISBN 978-0-415-49271-3. 7 Ağustos 2011 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 26 Kasım 2011.

Dış bağlantılar

• Interactive animation demonstrating Bernoulli's principle
• Bernoulli İlkesi ve Fırtınalar12 Aralık 2013 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• Denver University – Bernoulli's equation and pressure measurement23 Eylül 2012 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• Millersville University – Applications of Euler's equation
• Nasa – Beginner's guide to aerodynamics15 Temmuz 2012 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• Misinterpretations of Bernoulli's equation – Weltner and Ingelman-Sundberg
• Video demonstration of levitating ping pong ball using Bernoulli principle23 Mart 2012 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.