流體力學

流體是一種物質，當受到切向應力或剪下應力時會連續變形，無論剪下應力多麼小。這種在應力下的連續變形構成流動。因此，流體力學是對這種物質力學的學習。因此，它主要涉及液體和氣體的研究，但是一般理論可以應用於非晶固體、膠體懸浮液和膠狀材料的研究。

流體力學是連續介質力學的一個分支。因此，流體被認為是用於分析的連續介質，並且對於大多數應用而言，它們的離散性質無關緊要。這種假設在遠大於分子間距離的長度尺度上大多有效。偏離連續性的特徵在於一個無量綱引數，即克努森數，定義為 $K_{n}=\lambda /L$ ，其中L是流動的特徵長度尺度。如果Kn < 0.01，則連續性假設成立。然而，奈米技術和生物技術領域的最新應用表明，控制方程在較小尺度上仍然相關，特別是在修改這些方程以包含靜電、磁、膠體和表面張力驅動的力的影響時。

一些流體力學問題可以透過將力學的守恆定律（質量、動量、能量）應用於有限控制體積來解決。然而，通常，有必要將這些定律應用於無窮小的控制體積，然後使用所得的微分方程。此外，邊界值、初始條件和熱力學狀態方程通常是獲得數值或解析解所必需的。

簡史

流體相互作用幫助魚群遊得更快。魚群的集體運動源於每條魚僅對鄰近魚類的運動做出反應。鳥群也是如此，但與鳥類不同，魚類通常在液體中移動，液體可能是河流、湖泊或魚塘。最近，一組研究人員使用計算機模擬來解釋魚類誘導的水流對它們產生的協調模式有很大影響。魚群行為，由近一半已知魚類物種表現出來，可以採取各種形式（Hemelrijk 等人，2015）。魚群可以簡單地聚集在一起，沒有很強的排列程度，或者魚可以集體定向地以環形、流或球形遊動。人們認為這些特定的運動有助於躲避捕食者以及覓食。使用理論模型可以透過在不需要任何大型機構的情況下重現這種魚群行為來幫助理解這一點。他們假設每條魚都遵循簡單的“區域性”規則，例如與附近魚類的平均方向保持一致。魚類能夠透過側線感知流體流動。側線是一系列微小的毛髮狀感覺器官，均勻分佈在魚體的兩側（Ball，2018）。此外，每條魚都可以透過在另一條魚的尾流中游動來提高其游泳效率。但是，這些流體動力學效應如何以及是否影響魚群的集體運動，學者和研究人員尚未進行過多研究。法國“馬賽中央理工大學”的成員 Christophe Eloy 及其同事研究了流體動力學的影響，方法是使用在二維空間中移動的虛擬魚（Hemelrijk 等人，2015）。與前面的模型類似，研究人員假設魚類相互吸引並在一定程度上與視野中的其他魚類保持一致。同樣，他們假設存在平滑的流動，因此忽略了尾流中的湍流渦流。在這些條件或假設下，研究人員發現魚類表現出四種不同的聯合運動模式，這取決於行為規則的引數。這些包括隨機和凝聚的群體；對齊的，主要沿直線或魚群游泳；集體圓周游泳或研磨；以及快速、對齊的游泳，並伴有規律的自發轉彎或轉彎（Ball，2018）。包含流體後，魚類的平均速度更高。“轉彎”是由流體動力學效應引起的噪聲或更大的旋轉隨機性造成的。看起來像是行為的結果，魚類的自由意志實際上可能是流體動力學的結果。可以透過將建模結果與實際觀察結果相關聯來進一步推進這項研究。

參考文獻 Ball, P. (2018)。流體相互作用幫助魚群遊得更快。物理線上期刊，11。Hemelrijk, C. K., Reid, D. A. P., Hildenbrandt, H., & Padding, J. T. (2015)。魚群游泳效率的提高。魚類與漁業，16(3)，511-521。

章節