Стационарное движение жидкости

Стационарное движение жидкости. Если по трубе течёт жидкость неразрывной струёй, то через любое поперечное сечение трубы за равные промежутки времени проходят одинаковые объёмы жидкости. Такое движение жидкости называется стационарным (установившимся) движением.

Стационарное движение может иметь место в реках, в водопроводных трубах или при вытекании воды из большого резервуара.

В трубе одинакового сечения по всей её длине скорости движения частиц жидкости одинаковые (при отсутствии трения); поэтому линии тока параллельны друг другу и распределены всюду одинаково густо. При движении же вдоль трубы с неодинаковым сечением скорости эти различны.

Обозначим скорость течения жидкости в сечении S1 трубы через v1 а в сечении S2 – через v2. При установившемся течении объём жидкости, протекающей в 1 сек через поперечное сечение трубы S1, равен объёму жидкости, протекающей через сечение S2 этой же трубы; поэтому можно написать:

Подробнее...

Сопротивление при движении тела в жидкости и газе

Из опыта мы знаем, что когда тело движется в жидкости, то последняя тормозит движение; следовательно, при этом возникает сила, препятствующая движению тела. Если, например, с берега спокойного озера столкнуть в воду лодку, то она вследствие инерции пройдёт некоторое расстояние, а затем остановится. Сила сопротивления воды, действующая на лодку, останавливает её. В равной степени это относится к движению тела в газе, например к движению автомобиля, велосипеда, самолёта и других тел в воздухе.

Силу, препятствующую движению тела в воздухе, называют аэродинамическим (воздушным) сопротивлением. Установлено, что величина аэродинамического сопротивления не зависит от того, движется ли тело в воздухе или, наоборот, неподвижное тело обтекается воздухом.

Выясним, от чего зависит величина аэродинамического сопротивления. Для этого воспользуемся установкой.

Основная часть этой установки – специальной конструкции аэродинамические весы. В стержне весов В имеется гнездо, куда вставляются тела различных форм и размеров. Приведение указателя весов к нулю в начале опыта производится путём перемещения груза А. Движение воздуха создаётся особым электрическим вентилятором Е. Изменяя величину тока в электродвигателе, можно получать потоки воздуха различной скорости. Тела 1–8, аэродинамическое сопротивление которых исследуется, имеют одинаковый вес. Все они, за исключением тела 2, имеют одинаковую лобовую площадь (площадь наибольшего сечения тела в направлении, перпендикулярном движению).

Подробнее...

Использование энергии движущейся воды

Уже много тысяч лет человечество использует энергию движущейся воды для самых разнообразных целей.

Запасы водной энергии на Земле огромны. По предварительным подсчётам, только гидроэнергоресурсы бывшего Советского Союза определяются примерно в 300 млн. киловатт, что в переводе на выработку электрической энергии может дать не менее 2000 млрд. киловатт-часов ежегодно.

Великим «круговоротом воды» мы обязаны солнечному излучению. Вода озёр, морей и океанов испаряется и, поднимаясь вверх, образует облака и тучи, из которых она в виде дождя и снега падает на поверхность Земли и в форме ручьёв, рек и потоков течёт в моря и океаны, где снова испаряется. Каждый горный поток, каждый ручей, каждая река образует источник энергии, который может быть так или иначе использован.

Несмотря на то, что запасы водной энергии огромны и люди стали пользоваться ими давно, только сравнительно недавно водная энергия приобрела огромное значение в промышленности, получив название «белого угля». Особенно большое внимание проблеме использования энергии «белого угля» уделено в бывшем Советском Союзе.

Подробнее...

Сила давления

Механическое действие жидкостей и газов на поверхности тел, например на стенки сосудов, характеризуется величиной, называемой давлением. Понятие давления – одно из основных в механике жидкостей и газов. Давлением называется величина, измеряемая отношением силы, действующей на поверхность, к площади этой поверхности.

Сила давления, как и всякая другая сила, есть результат взаимодействия тел; в любых случаях, будь то давление твёрдых тел на опоры, жидкостей на стенки сосудов, атмосферного воздуха на землю, мы имеем дело с взаимодействием тел.

Силы давления могут быть распределены по площади как равномерно, так и неравномерно. При их равномерном распределении давление на всех участках поверхности одинаково. В этом случае давление можно рассчитать по формуле:

P = F/S

где р – давление, F – сила давления и S – площадь.

Если, например, на поршень гидравлического пресса площадью 50 см2 действует сила 200 кГ, то на каждый квадратный сантиметр действует сила 4 кГ и давление р = 4 кГ/см2.

Подробнее...

Давление в движущейся жидкости

В текущей жидкости различают статическое давление и динамическое давление. Причиной статического давления, как и в случае неподвижной жидкости, является сжатие жидкости. Статическое давление проявляется в напоре на стенку трубы, по которой течёт жидкость.

Динамическое давление обусловливается скоростью течения жидкости. Чтобы обнаружить это давление, надо затормозить жидкость, и тогда оно, как и. статическое давление, проявится в виде напора.

Сумма статического и динамического давлений называется полным давлением.

В покоящейся жидкости динамическое давление равно нулю, следовательно, статическое давление равно полному давлению и может быть измерено любым манометром.

Измерение давления в движущейся жидкости сопряжено с целым рядом трудностей. Дело в том, что манометр, погружённый в движущуюся жидкость, изменяет скорость движения жидкости в том месте, где он находится. При этом, конечно, изменяется и величина измеряемого давления. Чтобы манометр, погружённый в жидкость, совсем не изменял скорости жидкости, он должен двигаться вместе с жидкостью. Однако измерять таким путём давление внутри жидкости крайне неудобно. Это затруднение обходят, придавая трубке, соединённой с манометром, обтекаемую форму, при которой она почти не изменяет скорости движения жидкости. Практически для измерения давлений внутри движущейся жидкости или газа применяют узкие манометрические трубки.

Подробнее...

Подъёмная сила

Подъёмная сила - это сила удерживающая тело в воздухе.

При движении тел в воздухе, кроме сопротивления движению, возникают и другие силы. Особенно важное значение имеет так называемая подъёмная сила.

Птица свободно реет в воздухе. Подстреленная, она камнем падает на землю. Почему? Какая сила удерживает птицу в воздухе?

Этот вопрос с древнейших времён занимал человека. Люди давно мечтали об искусственных крыльях, которые позволили бы им, подобно птицам, свободно пересекать большие пространства за короткие промежутки времени. Однако прошло много времени, прежде чем эта мечта нашла своё воплощение в самолёте.

Прежде чем рассматривать вопрос о подъёмной силе крыла самолёта, обратимся к простому примеру, который ясно показывает, как вообще может возникнуть подъёмная сила при движении тела в воздухе. Посмотрим, какие силы действуют на бумажного змея, удерживаемого на ветру верёвкой.

Воздушный поток, отражаясь от поверхности змея АВ, действует на него с силой R. Кроме того, на змей действуют сила его собственного веса Р и натяжение верёвки Q; результирующая этих сил R1. При равенстве сил R и R1 змей держится в воздухе; если же сила R будет больше R1, то змей будет подниматься. Таким образом, воздушный змей, отклоняя горизонтальный поток воздуха косо вниз, сам испытывает со стороны воздуха силу, направленную вверх и обеспечивающую его полёт.

Значительно сложнее и иначе, чем в случае со змеем, обстоит дело с подъёмной силой, действующей на крыло самолёта при его полёте.

Подробнее...

Гидравлические двигатели

Как известно из механики, каждое тело, поднятое над землёй, обладает потенциальной энергией. Это в равной степени относится и к воде.

Если, например, имеется какой-нибудь запас воды т, поднятой относительно некоторого уровня на высоту h, то эта вода обладает относительно этого уровня потенциальной энергией mgh. Если эта вода упадёт с высоты h, то частицы её приобретут скорость, определяемую из равенства v = 2gh. Потенциальная энергия воды при этом превратится в кинетическую энергию mv2/2. Если не принимать во внимание незначительные потери энергии, неизбежные при этом переходе, то можно написать, что mgh = mv2/2.

Мощность источника воды зависит не только от высоты h, с которой вода падает (высота напора), но и от количества воды, протекающей в 1 сек. Если, например, в 1 сек проходит Q м3 воды, т. е. 1000 Q кГ, то эта вода, падая с высоты h, может развить мощность:

1000 · Q · h : 75 (л.с.)

В природе сравнительно редко встречаются случаи, когда вода в большом количестве падает непосредственно со значительной высоты. Чаще всего приходится пользоваться такими реками, русла которых имеют небольшой уклон. В этих случаях для создания напора, необходимого для работы гидравлических двигателей, приходится уровень воды поднимать искусственно, при помощи плотин. Если установить плотину поперёк реки, то уровень воды в реке перед плотиной поднимется.

Подробнее...

Обтекание тела жидкостью или газом

Наиболее обтекаемо такое тело, которое при данной лобовой площади имеет наименьшее сопротивление.

Форма тела, закруглённого спереди и заострённого сзади, возможно более гладкая, без выступов, является наиболее обтекаемой. Такую форму придают снарядам, подводным лодкам, торпедам, гоночным автомобилям, корпусу и крыльям самолёта, подводным частям судов.?

Выясним теперь, какими физическими процессами определяется уменьшение сопротивления движению тела, которому придана обтекаемая форма.

Для этого будем помещать в поток жидкости тела различной формы и, меняя скорость потока, наблюдать картины линий тока, получившиеся при обтекании жидкостью этих тел.

На рисунке изображена картина линий тока жидкости, получившаяся при обтекании ею цилиндра с различной скоростью. При малых скоростях обтекания линии тока, обойдя цилиндр, располагаются позади него так же, как и перед ним. По мере же увеличения скорости обтекания жидкость позади цилиндра приходит в круговое вихревое движение.

Жидкость, вращающаяся в вихре, движется быстрее жидкости в стационарном потоке. Но мы знаем, что давление в жидкости тем меньше, чем быстрее она движется (вспомните всасывающее действие струи жидкости). Следовательно, с задней стороны цилиндра, где образовались вихри, давление становится меньше, чем с передней. Разность давлений впереди и позади движущегося тела и создаёт сопротивление движению тела.

Подробнее...

Всасывающее действие струи жидкости и его использование

Сужая в каком–либо месте поперечное сечение трубки, по которой течёт жидкость или газ, можно сделать давление в этом месте значительно меньше атмосферного. Получающаяся при этом всасывающая сила используется в технике в устройстве некоторых приборов.

Представление о действии таких приборов даёт установка, изображённая на рисунке.

К стеклянной трубке АВ в её узком сечении припаяна манометрическая трубочка CD, свободный конец которой D опущен в сосуд Е с подкрашенной водой. Соединяя трубку АВ с водопроводом, создают в ней поток жидкости. При определённой скорости течения жидкости давление в узкой части трубки АВ становится меньше атмосферного; при этом подкрашенная жидкость из сосуда Е поднимается вверх по трубочке CD и вливается в поток жидкости, текущей по АВ.

Важное применение, всасывающее действие струи находит в карбюраторе – приборе, предназначенном для питания двигателя внутреннего сгорания горючей смесью.

Устройство простейшего карбюратора изображено на рисунке.

Во время всасывающих ходов поршня двигателя наружный воздух проходит снизу вверх по трубе В, которая имеет суженную часть – диффузор М. В диффузоре помещена трубка С через которую поступает бензин из поплавковой камеры D в смесительную камеру Е.

Подробнее...

Наблюдение движения жидкости

Под действием различных сил жидкости и газы могут находиться или в равновесии, или в движении. Законы равновесия жидкостей и газов были изучены в начальном курсе физики, теперь же мы рассмотрим некоторые явления, связанные с их движением.

Несмотря на различие между жидкостями и газами, некоторые законы их движения одинаковы. Это обстоятельство весьма благоприятно, так как движение жидкости легче сделать заметным и, следовательно, легче изучить, чем движение газа.

Для исследования движения жидкости применяются специальные приборы. На рисунках изображён вид одного такого прибора спереди и сбоку.

Прибор состоит из плоского стеклянного сосуда А, образованного двумя стеклянными пластинками S1 и S2, расстояние между которыми порядка 1 мм. Сверху к этим стеклянным пластинкам плотно пригнаны металлические пластинки М1 и М2, к которым приделаны камеры К1 и К2. Каждая камера сообщается с пространством между пластинками через ряд отверстий, просверлённых в пластинках М1 и М2. (Одно такое отверстие d показано в пластинке М1.) Отверстия в этих пластинках сдвинуты друг, относительно друга.

Подробнее...

Внутреннее трение в жидкостях и газах

Мы знаем, что если одно тело скользит или катится по поверхности другою, то возникает сила трения, тормозящая движение тела.

Если оба соприкасающихся тела движутся, то сила трения замедлит скорость одного тела, которое движется быстрее, и увеличит скорость движущегося более медленно.

Можно на опыте убедиться, что и между слоями газа и жидкости, движущимися относительно друг друга, также возникают силы, замедляющие движение одних слоев и ускоряющие движение других. Эти силы называют силами внутреннего трения или силами вязкости.

Внутреннее трение в жидкости можно наблюдать при помощи установки, изображённой на рисунке. На поверхности воды, налитой в широкий сосуд, плавает небольшой деревянный цилиндр с флажком. Если привести во вращение сосуд, то спустя некоторое время вследствие внутреннего трения придёт во вращение и цилиндр с флажком, При остановке сосуда цилиндр вследствие инерции будет продолжать движение, но существующие в жидкости силы внутреннего трения постепенно уменьшат его скорость до нуля. Аналогичным образом можно обнаружить наличие внутреннего трения в газах. Если вращать диск А, то вскоре приходит в движение и верхний диск В, неподвижно висевший над первым диском.

Подробнее...

Еще статьи...

  1. Ветряные двигатели

НАУЧНЫЕ РАЗДЕЛЫ