Динамическое давление
Зная динамическое давление, можно определить скорость течения.
Если тело движется со скоростью v в покоящемся воздухе (или в воде), то в системе отсчета, неподвижной относительно тела, т.е. движущейся вместе с ним, тело будет покоиться, а жидкость — набегать на тело со скоростью WQ, равной, но противоположной скорости v. Поэтому и в этом случае будет происходить подпор жидкости с приращением давления в критической точке
Если в критической точке тела, осуществляющего препятствие, просверлено отверстие, то давление pi передается внутрь тела и может быть отсюда подведено к измерительному прибору. Выполняя препятствие в виде изогнутой под прямым углом трубки, обращенной одним концом против течения, мы получим простой прибор для измерения давления Этот прибор называется, по имени изобретателя, трубкой Пито
Пусть давление в какой-либо точке потока жидкости равно р. Это есть то давление жидкости, которое показал бы прибор для измерения давления, движущийся вместе с жидкостью. Давление р принято называть статическим давлением. Если мы поместим в рассматриваемую точку потока трубку Пито, то здесь произойдет подпор жидкости, и давление станет равным pi, которое будет обнаружено трубкой Пито. Давление pi принято называть полным давлением. Таким образом, из формулы следует, что полное давление равно сумме статического и динамического давлений. Заменяя в уравнении Бернулли
Это равенство показывает, что полное давление pi изменяется в потоке жидкости по статическому закону, следовательно, в том случае, когда постоянная в уравнении Бернулли одинакова для всех линий тока, оно постоянно в каждой горизонтальной плоскости.
Для того чтобы использовать формулу для определения скорости течения, необходимо, кроме измерения полного давления pi, измерить также статическое давление р. Последняя задача значительно труднее первой, так как введение зонда в поток несколько изменяет статическое давление р именно в той точке, где его желательно измерить. О том, как измеряется статическое давление, будет сказано ниже Дальнейшие выводы о давлении жидкости. Излагаемые ниже замечания касаются не только идеальной жидкости, но — с небольшими изменениями — и жидкостей с умеренной вязкостью. Однако первое замечание относится только к несжимаемой жидкости с постоянной плотностью.
В несжимаемой жидкости с постоянной плотностью давление можно разложить на два слагаемых, из которых первое представляет то давление, которое существовало бы в жидкости, если бы она была в покое. Обозначим это равновесное, или весовое давление через р'. Очевидно, что р' = const — 'jz.
Второе слагаемое обозначим через р, следовательно, действительное давление в движущейся жидкости будет р = р' + р Величина р представляет собой разность между давлением при движении и давлением в покое. Пусть к рассматриваемому движению применимо уравнение Бернулли:
Р + "fZ + /9— = COnst. Заменяя р его значением р = const — jz + р, мы получим:
Р* + тг- = const.
Следовательно, давление р распределяется в жидкости так, как если бы она была невесомой и обладала только инертной массой; геометрическая высота не оказывает на р* никакого влияния. Это объясняется тем, что каждая частица жидкости как бы висит в потоке под действием поддерживающей силы окружающих частиц. Очевидно, полученный результат применим и к жидкостям, обладающим трением. Поэтому в дальнейшем во всех случаях исследования движения под водой или в воздухе мы не будем учитывать действия силы тяжести, следовательно, вместо давления р будем всегда рассматривать давление р, однако для сокращения письма будем писать вместо р* просто р. Давление р будем называть кинетическим давлением.
Пусть давление и потоке воздуха или воды измеряется при помощи неподвижного прибора, находящегося вне потока и соединенного трубками с подвижным зондом, вставленным в поток. В таком случае вес жидкости в трубках действует так, что давление, показываемое прибором, не зависит от геометрической высоты места измерения. Следовательно, прибор показывает давление такого же вида, как и р. Если в качестве зонда взята трубка Пито, то неподвижный прибор покажет одинаковое давление вдоль всей линии тока. В случае, когда для всех линий тока постоянная в уравнении Бернулли имеет одинаковое значение, прибор даст одинаковое показание во всем потоке.
б) Уравнение Бернулли показывает, как изменяется давление вдоль линии тока. Для того чтобы получить представление о том, как изменяется давление в направлении, перпендикулярном к линии тока, следует рассмотреть вместо касательного нормальное ускорение. Это ускорение w2 направлено, как известно, по главной нормали траектории Выделим в жидкости небольшую призму, ось которой направлена вдоль главной нормали. при криволинейном течении давление увеличивается по направлению от выпуклой стороны линии тока к вогнутой, причем это увеличение составляет — на единицу длины. связь между соседними линиями тока. Из этого уравнения видно, что при прямолинейном течении (г = сю) давление не может изменяться в направлении, перпендикулярном к скорости течения.
При криволинейном течении особенно простой результат получается в том случае, когда постоянная в уравнении Бернулли имеет одинаковое значение для всех линий тока.
Ниже, мы увидим, условие, при котором так называемая циркуляция вдоль прямоугольника, образованного дугами двух соседних линий тока и отрезками ds' двух радиусов кривизны, равна нулю. Там же мы увидим, что при циркуляции, равной нулю, отдельные частицы жидкости движутся без вращения. Следовательно, при нашем криволинейном течении частицы жидкости не совершают вращения.
Для примера рассмотрим движение в спиральной камере. Все линии тока начинаются в параллельном потоке в области А, в которой скорость и давление везде одинаковы, следовательно, постоянная в уравнении Бернулли, составленного для потока в спиральной камере, одинакова на всех линиях тока. Радиусы кривизны отдельных линий тока можно считать приближенно равными радиусу г, проведенному из центра камеры О, поэтому можно принять, что ds' = dr. Следовательно, скорость течения по мере приближения к центру камеры сильно возрастает.
При постоянной высоте камеры радиальная составляющая скорости вследствие неразрывности потока также обратно пропорциональна радиусу г, поэтому угол, образуемый линиями тока с радиусами, везде одинаковый, следовательно, линиями тока являются логарифмические спирали.
Если поток внутри камеры, достигнув радиуса п, выходит через сделанное здесь отверстие в свободную атмосферу, где давление равно ро, то здесь предыдущее уравнение дает нам:
Ро = const 2г
Исключив из обоих уравнений постоянную (const), мы получим Р = Ро + Р С2
Следовательно, если выходное отверстие внутри камеры мало, то при входе в камеру давление может сделаться очень большим. Для примера рассмотрим начальную стадию истечения из сосуда через насадок длиной Применяя уравнение к горизонтальной линии тока, совпадающей с осью насадка, мы получим для точки В, находящейся на расстоянии s от входа в насадок, уравнение ds = const.
В случае движения в трубе с постоянным поперечным сечением скорость течения в каждый определенный момент времени одинакова во всех сечениях; кроме того, она одинакова также во всех точках каждого сечения, поскольку мы предполагаем, что жидкость не обладает трением.
Нетрудно вывести точный закон изменения скорости w в зависимости от времени, однако мы этим заниматься не будем. Для оценки времени, которое требуется для того, чтобы течение сделалось приблизительно установившимся, следует принять что ускорение остается до момента достижения скорости w
Другим простым примером неустановившегося движения жидкости является колебание столба жидкости в изогнутой трубе под действием силы тяжести Пусть труба имеет постоянное поперечное сечение и пусть длина столба жидкости, измеренная вдоль оси трубы, равна /. Обозначим отклонение столба жидкости от положения равновесия, измеренное в направлении оси трубы, в какой-либо момент времени через х (вследствие неразрывности это отклонение одинаково на обоих концах столба, а также во всех промежуточных точках). Скорость везде одинакова
При отклонении столба жидкости из положения равновесия на х один его конец поднимается на высоту hi = ж sin a, a другой конец опускается на высоту hi = a;sin/3
Давление на обоих концах одинаковое период колебаний равен т. е. совпадает с периодом колебаний маятника, длина которого равна половине длины столба жидкости.
Если тело движется со скоростью v в покоящемся воздухе (или в воде), то в системе отсчета, неподвижной относительно тела, т.е. движущейся вместе с ним, тело будет покоиться, а жидкость — набегать на тело со скоростью WQ, равной, но противоположной скорости v. Поэтому и в этом случае будет происходить подпор жидкости с приращением давления в критической точке
Если в критической точке тела, осуществляющего препятствие, просверлено отверстие, то давление pi передается внутрь тела и может быть отсюда подведено к измерительному прибору. Выполняя препятствие в виде изогнутой под прямым углом трубки, обращенной одним концом против течения, мы получим простой прибор для измерения давления Этот прибор называется, по имени изобретателя, трубкой Пито
Пусть давление в какой-либо точке потока жидкости равно р. Это есть то давление жидкости, которое показал бы прибор для измерения давления, движущийся вместе с жидкостью. Давление р принято называть статическим давлением. Если мы поместим в рассматриваемую точку потока трубку Пито, то здесь произойдет подпор жидкости, и давление станет равным pi, которое будет обнаружено трубкой Пито. Давление pi принято называть полным давлением. Таким образом, из формулы следует, что полное давление равно сумме статического и динамического давлений. Заменяя в уравнении Бернулли
Это равенство показывает, что полное давление pi изменяется в потоке жидкости по статическому закону, следовательно, в том случае, когда постоянная в уравнении Бернулли одинакова для всех линий тока, оно постоянно в каждой горизонтальной плоскости.
Для того чтобы использовать формулу для определения скорости течения, необходимо, кроме измерения полного давления pi, измерить также статическое давление р. Последняя задача значительно труднее первой, так как введение зонда в поток несколько изменяет статическое давление р именно в той точке, где его желательно измерить. О том, как измеряется статическое давление, будет сказано ниже Дальнейшие выводы о давлении жидкости. Излагаемые ниже замечания касаются не только идеальной жидкости, но — с небольшими изменениями — и жидкостей с умеренной вязкостью. Однако первое замечание относится только к несжимаемой жидкости с постоянной плотностью.
В несжимаемой жидкости с постоянной плотностью давление можно разложить на два слагаемых, из которых первое представляет то давление, которое существовало бы в жидкости, если бы она была в покое. Обозначим это равновесное, или весовое давление через р'. Очевидно, что р' = const — 'jz.
Второе слагаемое обозначим через р, следовательно, действительное давление в движущейся жидкости будет р = р' + р Величина р представляет собой разность между давлением при движении и давлением в покое. Пусть к рассматриваемому движению применимо уравнение Бернулли:
Р + "fZ + /9— = COnst. Заменяя р его значением р = const — jz + р, мы получим:
Р* + тг- = const.
Следовательно, давление р распределяется в жидкости так, как если бы она была невесомой и обладала только инертной массой; геометрическая высота не оказывает на р* никакого влияния. Это объясняется тем, что каждая частица жидкости как бы висит в потоке под действием поддерживающей силы окружающих частиц. Очевидно, полученный результат применим и к жидкостям, обладающим трением. Поэтому в дальнейшем во всех случаях исследования движения под водой или в воздухе мы не будем учитывать действия силы тяжести, следовательно, вместо давления р будем всегда рассматривать давление р, однако для сокращения письма будем писать вместо р* просто р. Давление р будем называть кинетическим давлением.
Пусть давление и потоке воздуха или воды измеряется при помощи неподвижного прибора, находящегося вне потока и соединенного трубками с подвижным зондом, вставленным в поток. В таком случае вес жидкости в трубках действует так, что давление, показываемое прибором, не зависит от геометрической высоты места измерения. Следовательно, прибор показывает давление такого же вида, как и р. Если в качестве зонда взята трубка Пито, то неподвижный прибор покажет одинаковое давление вдоль всей линии тока. В случае, когда для всех линий тока постоянная в уравнении Бернулли имеет одинаковое значение, прибор даст одинаковое показание во всем потоке.
б) Уравнение Бернулли показывает, как изменяется давление вдоль линии тока. Для того чтобы получить представление о том, как изменяется давление в направлении, перпендикулярном к линии тока, следует рассмотреть вместо касательного нормальное ускорение. Это ускорение w2 направлено, как известно, по главной нормали траектории Выделим в жидкости небольшую призму, ось которой направлена вдоль главной нормали. при криволинейном течении давление увеличивается по направлению от выпуклой стороны линии тока к вогнутой, причем это увеличение составляет — на единицу длины. связь между соседними линиями тока. Из этого уравнения видно, что при прямолинейном течении (г = сю) давление не может изменяться в направлении, перпендикулярном к скорости течения.
При криволинейном течении особенно простой результат получается в том случае, когда постоянная в уравнении Бернулли имеет одинаковое значение для всех линий тока.
Ниже, мы увидим, условие, при котором так называемая циркуляция вдоль прямоугольника, образованного дугами двух соседних линий тока и отрезками ds' двух радиусов кривизны, равна нулю. Там же мы увидим, что при циркуляции, равной нулю, отдельные частицы жидкости движутся без вращения. Следовательно, при нашем криволинейном течении частицы жидкости не совершают вращения.
Для примера рассмотрим движение в спиральной камере. Все линии тока начинаются в параллельном потоке в области А, в которой скорость и давление везде одинаковы, следовательно, постоянная в уравнении Бернулли, составленного для потока в спиральной камере, одинакова на всех линиях тока. Радиусы кривизны отдельных линий тока можно считать приближенно равными радиусу г, проведенному из центра камеры О, поэтому можно принять, что ds' = dr. Следовательно, скорость течения по мере приближения к центру камеры сильно возрастает.
При постоянной высоте камеры радиальная составляющая скорости вследствие неразрывности потока также обратно пропорциональна радиусу г, поэтому угол, образуемый линиями тока с радиусами, везде одинаковый, следовательно, линиями тока являются логарифмические спирали.
Если поток внутри камеры, достигнув радиуса п, выходит через сделанное здесь отверстие в свободную атмосферу, где давление равно ро, то здесь предыдущее уравнение дает нам:
Ро = const 2г
Исключив из обоих уравнений постоянную (const), мы получим Р = Ро + Р С2
Следовательно, если выходное отверстие внутри камеры мало, то при входе в камеру давление может сделаться очень большим. Для примера рассмотрим начальную стадию истечения из сосуда через насадок длиной Применяя уравнение к горизонтальной линии тока, совпадающей с осью насадка, мы получим для точки В, находящейся на расстоянии s от входа в насадок, уравнение ds = const.
В случае движения в трубе с постоянным поперечным сечением скорость течения в каждый определенный момент времени одинакова во всех сечениях; кроме того, она одинакова также во всех точках каждого сечения, поскольку мы предполагаем, что жидкость не обладает трением.
Нетрудно вывести точный закон изменения скорости w в зависимости от времени, однако мы этим заниматься не будем. Для оценки времени, которое требуется для того, чтобы течение сделалось приблизительно установившимся, следует принять что ускорение остается до момента достижения скорости w
Другим простым примером неустановившегося движения жидкости является колебание столба жидкости в изогнутой трубе под действием силы тяжести Пусть труба имеет постоянное поперечное сечение и пусть длина столба жидкости, измеренная вдоль оси трубы, равна /. Обозначим отклонение столба жидкости от положения равновесия, измеренное в направлении оси трубы, в какой-либо момент времени через х (вследствие неразрывности это отклонение одинаково на обоих концах столба, а также во всех промежуточных точках). Скорость везде одинакова
При отклонении столба жидкости из положения равновесия на х один его конец поднимается на высоту hi = ж sin a, a другой конец опускается на высоту hi = a;sin/3
Давление на обоих концах одинаковое период колебаний равен т. е. совпадает с периодом колебаний маятника, длина которого равна половине длины столба жидкости.

Реклама

Свойства жидкостей и газов