Temat: Ruch płynów doskonałych. Równanie ciągłości

Podobne dokumenty
Gęstość i ciśnienie. Gęstość płynu jest równa. Gęstość jest wielkością skalarną; jej jednostką w układzie SI jest [kg/m 3 ]

STATYKA I DYNAMIKA PŁYNÓW (CIECZE I GAZY)

MECHANIKA PŁYNÓW Płyn

KOLOKWIUM w piątek 8 grudnia

Aerodynamika i mechanika lotu

dn dt C= d ( pv ) = d dt dt (nrt )= kt Przepływ gazu Pompowanie przez przewód o przewodności G zbiornik przewód pompa C A , p 1 , S , p 2 , S E C B

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Dynamika

Kinematyka płynów - zadania

WYDZIAŁ LABORATORIUM FIZYCZNE

18. Siły bezwładności Siła bezwładności w ruchu postępowych Siła odśrodkowa bezwładności Siła Coriolisa

Podstawy fizyki wykład 5

MAGNETYZM, INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA. Zadania MODUŁ 11 FIZYKA ZAKRES ROZSZERZONY

J. Szantyr Wykład nr 27 Przepływy w kanałach otwartych I

Modelowanie i symulacja zagadnień biomedycznych PROJEKT BARTŁOMIEJ GRZEBYTA, JAKUB OTWOROWSKI

WYKŁAD 5 RÓWNANIE EULERA I JEGO CAŁKI PIERWSZE 1/14

POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA w Kielcach WYDZIAŁ MECHATRONIKI I BUDOWY MASZYN KATEDRA URZĄDZEŃ MECHATRONICZNYCH LABORATORIUM FIZYKI INSTRUKCJA

Wykład 7. Mechanika płynów

Mechanika płynów. Wykład 9. Wrocław University of Technology

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA LEPKOŚCI CIECZY NA PODSTAWIE PRAWA STOKESA

Projekt Inżynier mechanik zawód z przyszłością współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest porównanie na drodze obserwacji wizualnej przepływu laminarnego i turbulentnego, oraz wyznaczenie krytycznej licz

Podstawy fizyki sezon 1 IX. Mechanika płynów

Prędkości cieczy w rurce są odwrotnie proporcjonalne do powierzchni przekrojów rurki.

Tarcie poślizgowe

(równanie Bernoulliego) (15.29)

ROZWIĄZUJEMY ZADANIA Z FIZYKI

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 26 MAGNETYZM I ELEKTROMAGNETYZM. CZĘŚĆ 1

Definicje i przykłady

Wykład FIZYKA I. 12. Mechanika płynów. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Ruch jednowymiarowy. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

10. FALE, ELEMENTY TERMODYNAMIKI I HYDRODY- NAMIKI.

5. (2 pkt) Uczeń miał za zadanie skonstruował zwojnicę do wytwarzania pola magnetycznego o wartości indukcji

Rozdział 10. Statyka i dynamika płynów

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Praca, moc, energia INZYNIERIAMATERIALOWAPL. Kierunek Wyróżniony przez PKA

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 4

Analiza wektorowa. Teoria pola.

Czytanie wykresów to ważna umiejętność, jeden wykres zawiera więcej informacji, niż strona tekstu. Dlatego musisz umieć to robić.

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 27 MAGNETYZM I ELEKTROMAGNETYZM. CZĘŚĆ 2

LABORATORIUM PODSTAW BUDOWY URZĄDZEŃ DLA PROCESÓW MECHANICZNYCH

Fizyka dla Informatyków Wykład 8 Mechanika cieczy i gazów

Zasada działania maszyny przepływowej.

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania fizyka, wzory fizyka, matura fizyka

Gaz rzeczywisty zachowuje się jak modelowy gaz doskonały, gdy ma małą gęstość i umiarkowaną

1. Wykres przedstawia zależność wzrostu temperatury T dwóch gazów zawierających w funkcji ciepła Q dostarczonego gazom.

Zastosowania Równania Bernoullego - zadania

Wyznaczanie stosunku e/m elektronu

WYKŁAD 3 OGÓLNE UJĘCIE ZASAD ZACHOWANIA W MECHANICE PŁYNÓW. ZASADA ZACHOWANIA MASY. 1/15

Oddziaływania. Wszystkie oddziaływania są wzajemne jeżeli jedno ciało działa na drugie, to drugie ciało oddziałuje na pierwsze.

Powtórzenie wiadomości z klasy I. Temat: Ruchy prostoliniowe. Obliczenia

LXVII OLIMPIADA FIZYCZNA ZAWODY II STOPNIA

Płyn doskonały. Przepływ cieczy można zobrazować poprzez linie prądu (tory cząstek) Prędkość cząstki jest zawsze styczna do linii prądu.

ZESTAW POWTÓRKOWY (1) KINEMATYKA POWTÓRKI PRZED EGZAMINEM ZADANIA WYKONUJ SAMODZIELNIE!

PROFIL PRĘDKOŚCI W RURZE PROSTOLINIOWEJ

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA Wydział Mechaniczny Katedra Pojazdów Mechanicznych i Transportu LABORATORIUM TERMODYNAMIKI TECHNICZNEJ

Ćwiczenie 2: Wyznaczanie gęstości i lepkości płynów nieniutonowskich

Oto przykłady przedmiotów, które są bryłami obrotowymi.

MECHANIKA II. Praca i energia punktu materialnego

Pomiar ciśnienia krwi metodą osłuchową Korotkowa

Zadanie 1. Zadanie 2.

Układ krążenia krwi. Bogdan Walkowiak. Zakład Biofizyki Instytut Inżynierii Materiałowej Politechnika Łódzka Biofizyka 1

3. KINEMATYKA Kinematyka jest częścią mechaniki, która zajmuje się opisem ruchu ciał bez wnikania w jego przyczyny. Oznacza to, że nie interesuje nas

Zestaw zadań na I etap konkursu fizycznego. Zad. 1 Kamień spadał swobodnie z wysokości h=20m. Średnia prędkość kamienia wynosiła :

Wykład 12. Mechanika płynów

KLUCZ PUNKTOWANIA ODPOWIEDZI

Ćw. M 12 Pomiar współczynnika lepkości cieczy metodą Stokesa i za pomocą wiskozymetru Ostwalda.

Blok 6: Pęd. Zasada zachowania pędu. Praca. Moc.

ARKUSZ PRÓBNEJ MATURY Z OPERONEM FIZYKA I ASTRONOMIA

Blok 2: Zależność funkcyjna wielkości fizycznych. Rzuty

Geometria. Rozwiązania niektórych zadań z listy 2

Indukcja elektromagnetyczna. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

RÓWNANIA MAXWELLA. Czy pole magnetyczne może stać się źródłem pola elektrycznego? Czy pole elektryczne może stać się źródłem pola magnetycznego?

Praca domowa nr 2. Kinematyka. Dynamika. Nieinercjalne układy odniesienia.

Laboratorium komputerowe z wybranych zagadnień mechaniki płynów

MECHANIKA 2. Praca, moc, energia. Wykład Nr 11. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Wstęp. Ruch po okręgu w kartezjańskim układzie współrzędnych

Ładunki elektryczne i siły ich wzajemnego oddziaływania. Pole elektryczne. Copyright by pleciuga@ o2.pl

CZAS I PRZESTRZEŃ EINSTEINA. Szczególna teoria względności. Spotkanie II ( marzec/kwiecień, 2013)

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, INSTYTUT INŻYNIERII BIOMEDYCZNEJ I POMIAROWEJ LABORATORIUM POMIARÓW WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH I-21

Q t lub precyzyjniej w postaci różniczkowej. dq dt Jednostką natężenia prądu jest amper oznaczany przez A.

Test powtórzeniowy nr 1

Ruch drgający i falowy

Ruch. Kinematyka zajmuje się opisem ruchu różnych ciał bez wnikania w przyczyny, które ruch ciał spowodował.

J. Szantyr Wykład nr 19 Warstwy przyścienne i ślady 1

Podstawy fizyki sezon 1 IX. Mechanika płynów

MECHANIKA 2. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Opory ruchu. Fizyka I (B+C) Wykład XII: Tarcie. Ruch w ośrodku

TEMAT : WYZNACZANIE WYKŁADNIKA POTĘGOWEGO CZASU WYPŁYWU WODY W ZALEŻNOŚCI OD GŁĘBOKOŚCI ZBIORNIKA

26 MAGNETYZM. Włodzimierz Wolczyński. Indukcja magnetyczna a natężenie pola magnetycznego. Wirowe pole magnetyczne wokół przewodnika prostoliniowego

A) 14 km i 14 km. B) 2 km i 14 km. C) 14 km i 2 km. D) 1 km i 3 km.

MECHANIKA 2. Wykład Nr 3 KINEMATYKA. Temat RUCH PŁASKI BRYŁY MATERIALNEJ. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

MODEL FUNKCJONOWANIA UKŁADU KRĄŻENIA [ BAP_ doc ]

30P4 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNYZ FIZYKI I ASTRONOMII - IV POZIOM PODSTAWOWY

Zasady dynamiki Isaak Newton (1686 r.)

POLE MAGNETYCZNE Własności pola magnetycznego. Źródła pola magnetycznego

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA LEPKOŚCI POWIETRZA

Lista zadań nr 5 Ruch po okręgu (1h)

III Powiatowy konkurs szkół ponadgimnazjalnych z fizyki finał

STEREOMETRIA CZYLI GEOMETRIA W 3 WYMIARACH

Transkrypt:

Lekcja 4 Temat: Ruch płynów doskonałych. Równanie ciągłości 1. Rodzaje przepływu płynów 2. Równanie ciągłości Ruch płynów rzeczywistych jest bardzo złożony i ciągle jeszcze nie umiemy go w pełni opisać. Omówimy zatem przepływ płynu doskonałego, którego opis matematyczny jest łatwiejszy, a daje mimo to bardzo użyteczne wyniki. Oto cztery założenia, związane z przepływem płynu, które muszą być spełnione, abyśmy nasz płyn mogli nazwać doskonałym. Rodzaje przepływu płynów 1. Przepływ ustalony. Przepływ jest ustalony (nazywany też laminarnym), gdy prędkość poruszającego się płynu w każdym wybranym punkcie nie zmienia się w upływem czasu, zarówno co do wartości, jak i co do kierunku. Łagodny przepływ wody w środkowej części płynącego powoli strumienia jest ustalony; gdy strumień napotyka szereg progów, jego przepływ nie jest już ustalony. Na rysunku obok pokazano przepływ dymu unoszącego się z papierosa, przy czym zachodzi przejście od przepływu ustalonego do nieustalonego (inaczej: turbulentnego). Gdy cząstki dymu wznoszą się, ich prędkość rośnie i począwszy od pewnej prędkości krytycznej przepływ zmienia się z ustalonego w nieustalony (tzn. z laminarnego w nielaminarny). 2. Przepływ nieściśliwy. Będziemy zakładać, podobnie jak to już robiliśmy dla płynów w spoczynku, że nasz doskonały płyn jest nieściśliwy, to znaczy, że jego gęstość jest stała. 3. Przepływ nielepki. Z grubsza rzecz biorąc, lepkość płynu jest miarą oporu, jaki stawia płyn jego przepływowi. Na przykład gęsty miód stawia przepływowi większy opór niż woda, a zatem mówimy, że miód jest bardziej lepki niż woda. Lepkość jest zjawiskiem analogicznym do tarcia między ciałami stałymi w obu przypadkach energia kinetyczna poruszających się ciał ulega zamianie w energię termiczną. Pod nieobecność tarcia klocek ślizgałby się po poziomej płaszczyźnie ze stałą prędkością. Podobnie, ciało porusza jące się w płynie niełepkim nie doznawałoby działania siły oporu lepkiego, tzn. siły oporu pochodzącej od lepkości płynu, i poruszałoby się w płynie ze stałą prędkością. Jak swego czasu zauważył uczony angielski lord Rayleigh, w płynie doskonałym śruba statku nie mogłaby spełniać swej funkcji, lecz z drugiej strony nie byłaby ona wcale potrzebna, bo wprawiony w ruch statek nie wymagałby już żadnego napędu! 4. Przepływ bezwirowy. Choć nie będzie nam to tutaj specjalnie potrzebne, założymy również, że przepływ jest bezwirowy. Aby przekonać się, czy przepływ jest bezwirowy, możemy umieścić w płynie małe ziarnko pyłu. Przepływ jest bezwirowy, gdy takie ziarnko nie obraca się wokół osi przechodzącej przez swój środek masy,

niezależnie od tego, czy porusza się po torze kołowym, czy nie. Stosując dość daleką analogię, moglibyśmy powiedzieć, że ruch diabelskiego młyna jest wirowy, ale ruch jego pasażerów jest bezwirowy. Przepływ ustalony Linie prądu w strumieniu powietrza opływającego samochód w tunelu aerodynamicznym W celu uwidocznienia charakteru przepływu płynu dodaje się nieraz do niego jakiś wskaźnik. Może nim być barwnik wprowadzany do cieczy w wielu punktach w poprzek strumienia lub cząstki dymu w przeprzepływającym gazie. Cząstki wskaźnika poruszają się wzdłuż linii prądu, które są torami cząstek płynu przy jego przepływie. Przypomnij sobie, że prędkość cząstki jest zawsze styczna do jej toru. Tak więc prędkość elementów (cząstek) płynu v jest styczna do linii prądu (rysunek 15.14). Z tego względu linie prądu nigdy się nie przecinają, gdyby bowiem tak było, cząstka docierająca do punktu przecięcia linii prądu miałaby jednocześnie dwie różne prędkości, co jest niemożliwe. Równanie ciągłości Być może zauważyłeś już kiedyś, że można zwiększyć prędkość wody wypływającej z węża ogrodowego, zasłaniając palcem część otworu wylotowego. Najwyraźniej prędkość wody v zależy od pola przekroju poprzecznego S, przez który ona przepływa. Chcemy teraz wyprowadzić zależność między v i S przy ustalonym przepływie płynu doskonałego przez rurę o zmiennym przekroju poprzecznym, jak pokazano na rysunku 15.15. Płyn przepływa tu w prawą stronę, a przestawiony na rysunku odcinek rury (która może być w całości znacznie dłuższa) ma długość L. Prędkość płynu na lewym końcu rury oznaczamy przez v 1, a na prawym końcu przez v 2. Podobnie, pole przekroju poprzecznego rury wynosi S 1 na jej lewym końcu oraz S 2 na jej końcu prawym. Załóżmy, że w przedziale czasu Δt do rury wpływa z lewej strony płyn o objętości ΔV (objętość tę na rysunku 15.15a zabarwiono na fioletowo). Płyn jest nieściśliwy, a zatem na prawym końcu rury musi z niej

wypłynąć w tym czasie płyn o takiej samej objętości V (zabarwionej na rysunku 15.15b na zielono). To, że obie objętości ΔV są takie same, umożliwi nam wyznaczenie związku prędkości z polem przekroju poprzecznego. W tym celu przeanalizujemy najpierw sytuację przedstawioną na rysunku 15.16 pokazującym widok z boku rury o stałym przekroju (o polu S). Na rysunku 15.16a element płynu e dociera do linii przerywanej, narysowanej w poprzek rury. Prędkość tego elementu jest równa r. a zatem w przedziale czasu Δt element ten przebywa wzdłuż rury odcinek o długości Δx = vδt. Wobec tego w przedziale czasu Δt przez linię przerywaną przepływa płyn o objętości ΔV równej: Δ V = S Δx = S v Δt (15.22) Zapisując równanie (15.22) dla lewego i prawego końca odcinka rury z rysunku 15.15, otrzymujemy ΔV = S1 v1 Δt = S2 v2 Δt czyli S1 v1 = S2 v2 (równanie ciągłości) (15.23) Ten związek prędkości z polem przekroju poprzecznego nazywamy równaniem ciągłości dla przepływu płynu doskonałego. Wynika z niego, że prędkość przepływu wzrasta, gdy maleje pole przekroju poprzecznego, przez który płyn przepływa (tak właśnie jest, gdy zasłaniasz palcem część otworu wyjściowego węża ogrodowego). Równanie (15.23) stosuje się nie tylko do przepływu płynu przez prawdziwą rurę, lecz także do tak zwanej strugi prądu, czyli umownej rury ograniczonej przez linie prądu. Taka rura działa tak samo jak prawdziwa, gdyż żaden element płynu nie może przepłynąć przez linię prądu, wobec czego cały płyn zawarty w strudze prądu pozostaje w niej przez cały czas. Na rysunku 15.17 przedstawiono strugę prądu, której pole przekroju poprzecznego rośnie od wartości S 1 do wartości S 2 wzdłuż kierunku przepływu. Z równania (15.23) wiemy, że gdy pole przekroju poprzecznego wzrasta, prędkość przepływu musi się zmniejszać. Jak widać z rysunku 15.17, przejawem tego jest

zwiększenie się wzajemnych odległości linii prądu (w prawej części tego rysunku). Wiedząc to, możemy odczytać z rysunku 15.12, że prędkość przepływu płynu jest największa tuż nad i tuż pod walcem. Równanie (15.23) możemy również zapisać w postaci R V = S v = const (15.24) (strumień objętościowy, równanie ciągłości) przy czym R V jest szybkością przepływu objętości płynu (strumieniem objętościowym), czyli objętością płynu przepływającego przez pewien przewód w jednostkowym czasie. Jednostką tej wielkości w układzie SI jest metr sześcienny na sekundę (m 3 /s). Gdy gęstość płynu p jest stała, możemy pomnożyć stronami równanie (15.24) przez gęstość i wyznaczyć szybkość przepływu masy (strumień masy) R m, czyli masę płynu przepływającego przez przewód w jednostkowym czasie. Otrzymujemy Rm = ρ RV = ρ S v = const (15.25) Jednostką strumienia masy w układzie SI jest kilogram na sekundę (kg/s). Z równania (15.25) wynika, że masa płynu, który wpływa w jednostce czasu do odcinka rury z rysunku (15.15), jest równa masie płynu wypływającego z tego odcinka w jednostce czasu. SPRAWDZIAN Na rysunku przedstawiono odcinek rury o wielu wlotach i wylotach. Podano również wartość strumienia objętościowego (w cm3/s) i kierunek przepływu płynu dla wszystkich otworów z wyjątkiem jednego. Ile wynosi dla tego otworu strumień objętościowy i jaki jest kierunek przepływu? Zadanie 1 Pole przekroju poprzecznego S 0 aorty (wychodzącej z serca tętnicy głównej układu krwionośnego) u normalnego człowieka w warunkach spoczynkowych wynosi 3 cm 2. Krew przepływa przez aortę z prędkością równą 30 cm/s. Typowe naczynie włosowate (kapilarne), o średnicy około 6 μm, ma pole przekroju poprzecznego S równe 3 10-7 cm 2, a krew przepływa przez nie z prędkością v wynoszącą 0,05 cm/s. Ile takich naczyń włosowatych ma człowiek? Rozwiązanie Jest oczywiste, że cała krew przepływająca przez naczynia włosowate musiała najpierw wydostać się z serca przez aortę. Strumień objętościowy w aorcie musi zatem być równy sumie strumieni objętościowych we wszystkich naczyniach włosowatych. Załóżmy, że wszystkie te naczynia są jednakowe, o polu przekroju poprzecznego S i prędkości przepływu v podanych w treści zadania. Z równania (15.25) otrzymujemy wobec tego S 0 v 0 = nsv, gdzie n jest liczbą naczyń włosowatych. Rozwiązując to równanie względem n, dostajemy: S v n = Sv 0 0 9 = 6 10 czyli około 6 miliardów. Możesz łatwo wykazać, że łączne pole przekroju poprzecznego tych wszystkich naczyń włosowatych jest około 600 razy większe od pola przekroju poprzecznego aorty.

Zadanie 2 Jak pokazano na rysunku 15.18, struga wody wypływającej z kranu zwęża się ku dołowi. Zaznaczone na rysunku przekroje poprzeczne strugi, odległe od siebie w pionie o h = 45 mm, mają pola równe So = 1,2 cm2 i S = 0,35 cm2. Ile wynosi strumień objętościowy wody wypływającej z kranu? Rozwiązanie Nietrudno zauważyć, że strumień objętościowy wody musi być taki sam we wszystkich miejscach strugi, a więc także w dwóch miejscach zaznaczonych na rysunku. Z równania (15.24) otrzymujemy zatem S o v o = Sv, (15.26) gdzie v 0 i v są prędkościami wody na poziomach odpowiadających przekrojom o polach S o i S. Woda spada swobodnie z przyspieszeniem ziemskim g, a zatem zgodnie z równaniem (2.16) prędkości te związane są ze sobą wzorem: v 2 = v l + 2gh. (15.27) Eliminując v z równań (15.26) i (15.27), a następnie rozwiązując otrzymane równanie względem v 0, dostajemy: 2 2ghS v 0 = = 0,286m / s = 28,6cm / s 2 2 S S 0 Strumień objętościowy R v wyznaczamy z równania (15.24): R v = S o v o = (1,2 cm2)(28,6 cm/s) = 34 cm 3 /s