Aplicació del principi i l'equació de Bernoulli

Aplicació del principi i l'equació de Bernoulli

Teorema de Torriceli

Aplicació del principi de Bernoulli i l'equació 1Un ús de l'equació de Bernoulli és calcular la velocitat del líquid que surt del fons d'un recipient.

Apliquem l'equació de Bernoulli al punt 1 (la superfície del recipient) i al punt 2 (la superfície del forat). Com que el diàmetre del forat a la part inferior del recipient és molt més petit que el diàmetre del recipient, se suposa que la velocitat del líquid a la superfície del recipient és zero (v 1 = 0). La superfície del recipient i la superfície del forat estan obertes, de manera que la pressió és igual a la pressió atmosfèrica (P 1 = P 2 ). Per tant, l'equació de Bernoulli per a aquest cas és:

Aplicació del principi de Bernoulli i l'equació 2

Si volem calcular la velocitat del flux de líquid pel forat del fons del recipient, aquesta equació es canvia a:

Aplicació del principi de Bernoulli i l'equació 3

Segons aquesta equació, la velocitat del flux d'aigua a través d'un forat a una distància h de la superfície del recipient és igual a la velocitat del flux d'aigua que cau lliurement a una distància h (compareu el moviment de caiguda lliure). Això es coneix com a teorema de Torricelli . Aquest teorema va ser descobert per Torricelli, un estudiant de Gallileo, un segle abans que Bernoulli descobrís la seva equació.

Efecte Venturi 

A més del teorema de Torricelli, l'equació de Bernoulli també es pot aplicar a altres casos especials, és a dir, quan el fluid flueix en seccions de canonada que es troben gairebé a la mateixa alçada (petita diferència d'alçada). Per entendre... plomajPer aquest motiu, observeu la imatge. Aplicació del principi de Bernoulli i l'equació 4

A la imatge superior, sembla que l'alçada de la canonada, tant la part amb la secció transversal gran com la part amb la secció transversal petita, és gairebé la mateixa, per la qual cosa es consideren la mateixa alçada. Quan s'aplica a aquest cas, l'equació de Bernoulli canvia a:

Aplicació del principi de Bernoulli i l'equació 5Quan el fluid passa a través d'una secció transversal petita (A2), aleshores la velocitat del fluid augmenta. Segons el principi de Bernoulli, si la velocitat del fluid augmenta, la pressió del fluid disminueix. La pressió del fluid a la part estreta de la canonada és més petita però el cabal de fluid és més gran.

Això es coneix com a efecte Venturi i demostra quantitativament que si el cabal de fluid és alt, la pressió del fluid serà baixa. Per contra, si el cabal de fluid és baix, la pressió del fluid serà alta.

Venturi metre

Una aplicació interessant de l'efecte venturi és el venturimetre. Aquest instrument s'utilitza per mesurar els cabals de fluids, com ara calcular el cabal d'aigua o oli a través d'una canonada. Hi ha dos tipus de venturimetres: els que no tenen manòmetre i els que utilitzen un manòmetre ple d'un altre fluid, com ara el mercuri. El principi de funcionament és el mateix.

Mesurador Venturi sense manòmetre

Aplicació del principi de Bernoulli i l'equació 6La imatge següent mostra un venturimetre que s'utilitza per mesurar el cabal de líquid en una canonada.

Quan el líquid passa a través d'una secció de canonada amb una secció transversal petita (A2 ) , la velocitat del líquid augmenta. Segons el principi de Bernoulli, si la velocitat del líquid augmenta, la pressió del líquid es redueix. Per tant, la pressió del líquid a la secció transversal gran és més gran que la pressió del líquid a la secció transversal petita (P1 > P2 ) . Per contra, v2 > v1

Aplicació del principi de Bernoulli i l'equació 7

El que es busca és el cabal del líquid a una secció transversal gran (v1 ) . Substituïm v2 a l'equació 1 per v2 a l'equació 2.

Aplicació del principi de Bernoulli i l'equació 8

Per calcular la pressió del fluid a una certa profunditat, s'utilitza l'equació:

p = ρ gh → Equació a

Si la diferència en les densitats del fluid és molt petita, feu servir aquesta equació per determinar la diferència de pressió a diferents altures. Per tant, l'equació a es pot canviar a:

Δ p = ρ g Δh

Per al cas anterior, aquesta equació es pot canviar a:

p 1 − p 2 = ρ gh → Equació b

Ara substituïm p1 - p2 a l'equació 3, per p1 - p2 a l'equació b:

Aplicació del principi de Bernoulli i l'equació 9

Com que els líquids són iguals, les densitats també han de ser iguals. Elimina ρ de l'equació.

Aplicació del principi de Bernoulli i l'equació 10

tub de Pitot

Si s'utilitza un venturi per mesurar el cabal de líquids, aleshores s'utilitza un tub de Pitot per mesurar el cabal de gasos o aire. El forat del punt 1 és paral·lel al flux d'aire. La posició d'aquests dos forats es fa força lluny del Aplicació del principi de Bernoulli i l'equació 11l'extrem del tub de Pitot, de manera que la velocitat i la pressió de l'aire fora del forat siguin les mateixes que la velocitat i la pressió de l'aire que flueix lliurement. En aquest cas, v1 = cabal d'aire lliure (això és el que mesurarem) i la pressió a la pota esquerra del manòmetre (tub esquerre) = pressió d'aire lliure (P1).

El forat que condueix a la pota dreta del manòmetre és perpendicular al flux d'aire. Per tant, el cabal d'aire a través d'aquest forat (la part central) disminueix i l'aire s'atura quan arriba al punt 2. En aquest cas, v2 = 0. La pressió a la pota dreta del manòmetre és igual a la pressió de l'aire al punt 2 (P2 ) . Les altures dels punts 1 i 2 són gairebé iguals (la diferència no és massa gran), de manera que es pot ignorar.

Aplicació del principi de Bernoulli i l'equació 12

Diferència de pressió (P2 - P1 ) = pressió hidrostàtica del líquid al manòmetre (el color negre del manòmetre és el líquid, el mercuri). Matemàticament, es pot escriure de la següent manera:

p 2 − p 1 = ρ ' gh → Equació 2

ρ' = densitat del líquid al manòmetre

Observeu l'equació 1 i l'equació 2. El costat esquerre és igual a (P² - P¹ ) . Per tant, les equacions 1 i 2 es poden canviar perquè tinguin aquest aspecte:

Aplicació del principi de Bernoulli i l'equació 13

Polvoritzador de perfum

Aplicació del principi de Bernoulli i l'equació 14Aquesta és una descripció general, però cada fàbrica té un disseny diferent.

En general, el principi de funcionament d'un polvoritzador de perfum es pot descriure de la següent manera (mirant la imatge). Quan es prem la bola de goma, l'aire de l'interior surt disparat pel tub 1. Per tant, l'aire del tub 1 té una velocitat més alta. Com que la velocitat de l'aire és alta, la pressió de l'aire al tub 1 baixa. Per contra, l'aire del tub 2 té una velocitat més baixa. La pressió de l'aire al tub 2 és més alta. Com a resultat, el líquid de perfum és empès cap amunt. Quan el líquid de perfum arriba al tub 1, l'aire que surt disparat de l'interior de la bola de goma l'empeny cap a fora... El líquid de perfum finalment surt disparat, mullant el cos...

Normalment els forats són petits, de manera que el perfum rellisca ràpidament.

Beure amb una pipeta o sifó

Has begut mai te gelat o xarop amb una pipeta? Quan xuclem o aspirem aigua amb una pipeta, en realitat fem que l'aire de la pipeta es mogui més ràpid. En aquest cas, l'aire de la pipeta que tenim enganxada a la boca té una velocitat més alta. Com a resultat, la pressió de l'aire a la part de la pipeta disminueix. L'aire de la part de la pipeta més propera a la beguda té una velocitat més baixa. Com que la seva velocitat és més baixa, la pressió és més gran. Aquesta diferència de pressió de l'aire és el que fa que l'aigua o la beguda que bevem flueixi cap a la nostra boca. En aquest cas, el líquid es mou de la part de la pipeta amb alta pressió d'aire a la part de la pipeta amb baixa pressió d'aire.

Xemeneia

Has vist mai una xemeneia? Si vius en una ciutat com Surabaya, Semarang, Jakarta, etc., probablement has vist xemeneies de fàbrica. Per què puja el fum per una xemeneia? En primer lloc, el fum de la combustió és calent. A causa de l'alta temperatura, la densitat de l'aire és baixa. L'aire amb una baixa densitat flota fàcilment o puja. Aquesta no és l'única raó... el principi de Bernoulli també hi entra en joc.

En segon lloc, el principi de Bernoulli estableix que si el cabal d'aire és alt, la pressió és baixa, i a l'inrevés, si el cabal d'aire és baix, la pressió és alta. La part superior de la xemeneia és a l'exterior. Hi ha vent que bufa a la part superior de la xemeneia, de manera que la pressió de l'aire circumdant és més baixa. Dins d'una habitació tancada, no hi ha vent que bufa, de manera que la pressió de l'aire és més alta. Per tant, el fum es dirigeix ​​cap a fora a través de la xemeneia. L'aire es mou de les zones d'alta pressió d'aire a les zones de baixa pressió d'aire.

Aplicació del principi de Bernoulli i l'equació 15

Les rates també coneixen el principi de Bernoulli

Mireu la imatge de sota. És una imatge d'un forat de ratolí a terra. Els ratolins també entenen el principi de Bernoulli.

i. Les rates no volien morir per asfíxia, així que van excavar dos forats a diferents altures. A causa de la diferència de nivell del terra, l'aire quedava comprimit l'un contra l'altre. És similar a l'aigua que flueix d'una canonada amb una secció transversal gran a una canonada amb una secció transversal petita. A causa de l'aixafament, la velocitat de l'aire augmenta i la pressió de l'aire disminueix.

A causa de la diferència de pressió de l'aire, l'aire es veu obligat a fluir a través del forat del ratolí. L'aire flueix des de les zones d'alta pressió a les zones de baixa pressió.

Força de sustentació d'aeronaus

Un dels factors que permet que els avions volin és la presència d'ales. Les ales dels avions són corbes, amb la part davantera més gruixuda que la posterior. Aquesta forma d'ala s'anomena perfil aerodinàmic. Aquesta idea es va copiar de les ales dels ocells, que també tenen una forma similar (part davantera corba i més gruixuda). La diferència és que les ales dels ocells es poden batre, mentre que les ales dels avions no. Els ocells poden volar perquè baten les ales, creant un flux d'aire que passa per tots dos costats de les ales. Perquè l'aire flueixi per tots dos costats de les ales de l'avió, cal moure l'avió cap endavant. Els humans utilitzen motors per moure els avions.

Aplicació del principi de Bernoulli i l'equació 16La part frontal de l'ala està dissenyada per corbar-se cap amunt. L'aire que flueix des de baix xoca amb el seu homòleg de dalt, de manera semblant a l'aigua que flueix d'una canonada amb una secció transversal gran a una canonada amb una secció transversal estreta. Com a resultat, la velocitat de l'aire per sobre de l'ala augmenta. Com que la velocitat de l'aire augmenta, la pressió de l'aire disminueix. Per contra, la velocitat del flux d'aire per sota de l'ala és menor perquè l'aire està menys amuntegat (la pressió de l'aire és més gran). Aquesta diferència de pressió fa que les ales de l'avió s'empenyin cap amunt.

El principi de Bernoulli és només un factor que fa que un avió s'elevi. Un altre factor és la quantitat de moviment. Normalment, les ales dels avions estan lleugerament inclinades cap amunt. L'aire que colpeja la part inferior de l'ala es desvia cap avall. Com que els avions tenen dues ales, una a l'esquerra i una a la dreta, l'aire desviat xoca entre si. El canvi de quantitat de moviment de les molècules d'aire que xoquen produeix una sustentació addicional.

Com que l'ala es corba cap avall cap a la cua, l'ala força l'aire a fluir cap avall. Segons la tercera llei de Newton, cada força d'acció té una força de reacció. Com que l'ala força l'aire cap avall, l'aire ha de forçar l'ala cap amunt. En aquest cas, l'aire exerceix sustentació sobre l'ala. Per tant, el principi de Bernoulli no és l'únic factor que fa que un avió s'elevi.

Els pescadors també coneixen el principi de Bernoulli

Has estat mai en un veler? Els pescadors també saben com funciona el principi de Bernoulli 😉

Deixa un comentari