Муніципальназагальноосвітня середня школа № 19
Чарівні таємницірідини
Роботувиконала учениця 10 В«БВ» класу
ЯрощукОлеся
р. Нижньовартовськ2009
Введення
рідинав'язкість потік тиск
Тисячі років людиспостерігають вічно мінливе протягом води і намагаються розгадати її таємницю.Першокласні фізики і математики ламали і продовжують ламати голови, намагаючисьзрозуміти природу і примхлива поведінку потоку води. Але вступивши в XXI століття, ми з жалемповинні констатувати, що з кінця XIX століття - часу найвищого розквітунауки про рух суцільних середовищ (гідродинаміки в разі рідини і аеродинамікиу разі газу) - ми дуже мало просунулися в розумінні природи цього вічномінливого течії. Всі основні закони течії рідини (для стислості скрізьбуде говоритися про рідини, хоча, за деяким винятком, ті жзакономірності властиві й газу) були відкриті до першої половини XIX сторіччя.Перерахуємо їх.
Сталість потокумаси рідини
Його ще називаютьзаконом нерозривності, законом безперервності, рівнянням суцільності рідиниабо законом збереження речовини в гідродинаміці. По суті, цей закон буввідкритий Б. Кастеллі в 1628 році. Він встановив, що швидкість течії рідини в трубахобернено пропорційна площі їх поперечного перерізу. Іншими словами, чимвже перетин каналу, тим з більшою швидкістю рухається в ньому рідина.
В'язкість рідини І.Ньютон (кінець XVII століття) експериментально встановив, що будь-якої рідинивластива в'язкість, тобто внутрішнє тертя. В'язкість приводить до виникненнясил тертя між рухомими з різними швидкостями шарами рідини, а такожміж рідиною і омиваним нею тілом. Їм же було встановлено, що сила тертяпропорційна коефіцієнту в'язкості рідини і градієнту (перепаду) швидкостіпотоку в напрямку, перпендикулярному його руху. Рідини, що підкоряютьсяцим законом, називають ньютоновскими на відміну від неньютонівських рідин, у якихзалежність між силою в'язкого тертя і швидкістю рідини має більш складнийхарактер.
В силу в'язкого тертяшвидкість рідини на поверхні омиваного нею тіла завжди дорівнює нулю. Це зовсімне очевидно, але тим не менше підтверджується в безлічі експериментів.
Зміна тискурідини в залежності від швидкості її руху Д. Бернуллі в своїйкнизі "Гідродинаміка" (1738) отримав для ідеальної рідини, що не володієв'язкістю, математичну формулювання закону збереження енергії в рідині,який носить тепер назву рівняння Бернуллі. Воно пов'язує тиск в потоцірідини з її швидкістю і стверджує, що тиск рідини при її русіменше там, де перетин потоку S менше, а швидкість рідини відповіднобільше. Уздовж трубки струму, яку можна подумки виділити в спокійномубезвіхревое потоці, сума статичного тиску, динамічного сV2/2,викликаного рухом рідини щільністю с, і тиску сgh стовпа рідинивисотою h залишається постійною:
Опір,випробовується тілом при русі в рідині. Існування опору середовищабуло виявлено ще Леонардо да Вінчі в XV столітті. Думка, що опіррідини руху тіла пропорційно швидкості тіла, вперше висловиванглійський вчений Дж. Уїлліс. Ньютон у другому виданні своєї знаменитої книги"Математичні початки натуральної філософії" встановив, що опірскладається з двох членів, одного - пропорційного квадрату швидкості та іншого -пропорційного швидкості. Там же Ньютон сформулював теорему про пропорційністьопору максимальної площі перерізу тіла, перпендикулярного напрямкупотоку. Силу опору тіла, повільно рухається у в'язкій рідині,розрахував в 1851 році Дж. Стокс. Вона виявилася пропорційною коефіцієнтув'язкості рідини, першого ступеня швидкості тіла і його лінійними розмірами.
Необхідно відзначити,що опір рідини рухається в ньому тілу в значній міріобумовлюється саме наявністю в'язкості. В ідеальній рідині, в якійв'язкість відсутня, опір взагалі не виникає.
Досвід. Щобпродемонструвати різний характер обтікання, а отже, і опорутіл різної форми, візьмемо кулю, наприклад м'яч для пінг-понгу або тенісу,приклеїмо до нього паперовий конус і поставимо за ним запалену свічку.
Повернемо тіло кулькою дособі і поду на нього. Полум'я відхилиться від тіла. Тепер повернемо тіло до себегострим кінцем і знову поду. Полум'я відхиляється до тіла. Цей досвід показує,що форма задньої поверхні тіла визначає напрямок перепаду тискупозаду неї, а отже, і опір тіла в потоці повітря.
У першому досліді полум'явідхиляється від тіла; це означає, що перепад тиску спрямований по потоку.Струмінь повітря плавно обтікає тіло, змикається за ним і далі рухається звичайноїструменем, яка відхиляє полум'я свічки назад і може навіть задути його. У другомудосвіді полум'я відхиляється до тіла - як і в експерименті з коробкою, позаду тіластворюється розрідження, перепад тиску спрямований проти потоку. Отже,в першому досвіді опір тіла менше, ніж у другому.
Падіння тиску вв'язкої рідини при її русі в трубі постійного перетину
Досвід показує, щотиск в рідині, що тече по трубі постійного перерізу, падає уздовж трубиза течією: чим далі від початку труби, тим воно нижче. Чим вже труба, тимсильніше падає тиск. Це пояснюється наявністю в'язкої сили тертя міжпотоком рідини і стінками труби.
Ефект Магнуса. Мовайде про виникнення сили, перпендикулярної потоку рідини при обтіканні нею обертовоготіла. Цей ефект був виявлений і пояснений Г.Г. Магнусом (близько середини XIXсторіччя) при вивченні польоту обертаються артилерійських снарядів та їх відхиленнявід мети. Ефект Магнуса полягає в наступному. При обертанні тіла, що летитьприлеглі шари рідини (повітря) захоплюються їм і також отримують обертаннянавколо тіла, тобто починають циркулювати навколо нього. Зустрічний потікрозсікається тілом на дві частини. Одна частина спрямована в ту ж сторону, що і циркулюючийнавколо тіла потік; при цьому відбувається складання швидкостей набігаючого і циркулюючогопотоків, значить, тиск в цій частині потоку зменшується. Інша частина потокуспрямована в бік, протилежний циркуляції, і тут результуючашвидкість потоку падає, що призводить до збільшення тиску. Різниця тисків зобох сторін обертового тіла і створює силу, яка перпендикулярна до напрямкузустрічного, набігаючого потоку рідини
Досвід. склеїти з листащільного паперу циліндр. З дошки, покладеної одним краєм на стопку книг,зробимо на столі похилу площину і покладемо на неї циліндр. Скотившись, він начебтоб повинен далі рухатися по параболі і впасти далі від краю. Однак всуперечочікуваному траєкторія його руху загинається в інший бік, і циліндрзалітає під стіл. Вся справа в тому, що він не просто падає, а ще й обертається,створюючи навколо себе циркуляцію повітря. Виникає надлишковий тиск,спрямоване в бік, протилежний поступальному руху циліндра.
Ефект Магнусадозволяє гравцям в пінг-понг і теніс відбивати "кручені" м'ячі, а футболістам -посилати "сухий лист", б'ючи м'яч по краю.
