Aplicación do principio e a ecuación de Bernoulli

Aplicación do principio e da ecuación de Bernoulli

Teorema de Torriceli

Aplicación do principio de Bernoulli e da ecuación 1Un uso da ecuación de Bernoulli é calcular a velocidade do líquido que sae polo fondo dun recipiente.

Aplicamos a ecuación de Bernoulli ao punto 1 (a superficie do recipiente) e ao punto 2 (a superficie do burato). Dado que o diámetro do burato no fondo do recipiente é moito menor que o diámetro do recipiente, asúmese que a velocidade do líquido na superficie do recipiente é cero (v1 = 0). A superficie do recipiente e a superficie do burato están abertas, de xeito que a presión é igual á presión atmosférica (P1 = P2 ) . Polo tanto, a ecuación de Bernoulli para este caso é:

Aplicación do principio de Bernoulli e da ecuación 2

Se queremos calcular a velocidade do fluxo de líquido no orificio do fondo do recipiente, esta ecuación cambia a:

Aplicación do principio de Bernoulli e da ecuación 3

Segundo esta ecuación, a velocidade do fluxo de auga a través dun burato a unha distancia h da superficie do recipiente é igual á velocidade do fluxo de auga que cae libremente a unha distancia h (compárese co movemento de caída libre). Isto coñécese como teorema de Torricelli . Este teorema foi descuberto por Torricelli, un alumno de Galileo, un século antes de que Bernoulli descubrise a súa ecuación.

Efecto Venturi 

Ademais do teorema de Torricelli, a ecuación de Bernoulli tamén se pode aplicar a outros casos especiais, concretamente cando o fluído flúe en seccións de tubaxe que están case á mesma altura (pequena diferenza de altura). Para comprender... plumajPor este motivo, observa a imaxe. Aplicación do principio de Bernoulli e da ecuación 4

Na imaxe superior, parece que a altura da tubaxe, tanto a parte coa sección transversal grande como a parte coa sección transversal pequena, é case a mesma, polo que se consideran da mesma altura. Cando se aplica a este caso, a ecuación de Bernoulli cambia a:

Aplicación do principio de Bernoulli e da ecuación 5Cando o fluído pasa por unha sección transversal pequena (A2), entón a velocidade do fluído aumenta. Segundo o principio de Bernoulli, se a velocidade do fluído aumenta, a presión do fluído diminúe. A presión do fluído na parte estreita da tubaxe é menor, pero o caudal do fluído é maior.

Isto coñécese como efecto Venturi e demostra cuantitativamente que se o caudal de fluído é alto, a presión do fluído será baixa. Pola contra, se o caudal de fluído é baixo, a presión do fluído será alta.

Venturi medidor

Unha aplicación interesante do efecto venturi é o medidor venturi. Este instrumento utilízase para medir os caudais de fluídos, como calcular o caudal de auga ou aceite a través dunha tubaxe. Hai dous tipos de medidores venturi: os que non teñen manómetro e os que usan un manómetro cheo doutro fluído, como o mercurio. O principio de funcionamento é o mesmo.

Medidor Venturi sen manómetro

Aplicación do principio de Bernoulli e da ecuación 6A imaxe de abaixo mostra un medidor Venturi que se usa para medir o caudal dun líquido nunha tubaxe.

Cando o líquido pasa a través dunha sección de tubo cunha sección transversal pequena (A2 ) , a velocidade do líquido aumenta. Segundo o principio de Bernoulli, se a velocidade do líquido aumenta, a presión do líquido diminúe. Polo tanto, a presión do líquido na sección transversal grande é maior que a presión do líquido na sección transversal pequena (P1 > P2 ) . Pola contra, v2 > v1

Aplicación do principio de Bernoulli e da ecuación 7

O que se busca é o caudal do líquido a unha sección transversal grande (v1 ) . Substituímos v2 na ecuación 1 por v2 na ecuación 2.

Aplicación do principio de Bernoulli e da ecuación 8

Para calcular a presión dun fluído a unha determinada profundidade, utilízase a ecuación:

p = ρ gh → Ecuación a

Se a diferenza nas densidades dos fluídos é moi pequena, entón use esta ecuación para determinar a diferenza de presión a diferentes alturas. Polo tanto, a ecuación a pódese cambiar a:

Δ p = ρ g Δh

Para o caso anterior, esta ecuación pódese cambiar a:

p 1 − p 2 = ρ gh → Ecuación b

Agora substituímos p1 - p2 na ecuación 3 por p1 - p2 na ecuación b:

Aplicación do principio de Bernoulli e da ecuación 9

Dado que os líquidos son iguais, as densidades tamén deben ser as mesmas. Elimina ρ da ecuación.

Aplicación do principio de Bernoulli e da ecuación 10

Tubo de Pitot

Se se usa un medidor Venturi para medir o caudal de líquidos, entón úsase un tubo de Pitot para medir o caudal de gases ou aire. O orificio no punto 1 é paralelo ao fluxo de aire. A posición destes dous orificios está feita bastante lonxe do Aplicación do principio de Bernoulli e da ecuación 11o extremo do tubo de Pitot, de xeito que a velocidade e a presión do aire fóra do burato sexan as mesmas que a velocidade e a presión do aire que flúe libremente. Neste caso, v1 = caudal de aire libre (isto é o que mediremos) e a presión na perna esquerda do manómetro (tubo esquerdo) = presión de aire libre (P1).

O orificio que leva á perna dereita do manómetro é perpendicular ao fluxo de aire. Polo tanto, o caudal de aire a través deste orificio (a parte central) diminúe e o aire detense cando chega ao punto 2. Neste caso, v2 = 0. A presión na perna dereita do manómetro é igual á presión do aire no punto 2 (P2 ) . As alturas dos puntos 1 e 2 son case iguais (a diferenza non é demasiado grande), polo que se pode ignorar.

Aplicación do principio de Bernoulli e da ecuación 12

Diferenza de presión (P2 - P1 ) = presión hidrostática do líquido no manómetro (a cor negra no manómetro é o líquido, o mercurio). Matematicamente, pódese escribir do seguinte xeito:

p 2 − p 1 = ρ ' gh → Ecuación 2

ρ' = densidade do líquido no manómetro

Observa a ecuación 1 e a ecuación 2. O lado esquerdo é igual a (P² - P¹ ) . Polo tanto, as ecuacións 1 e 2 pódense cambiar para que teñan este aspecto:

Aplicación do principio de Bernoulli e da ecuación 13

Pulverizador de perfume

Aplicación do principio de Bernoulli e da ecuación 14Esta é unha visión xeral, porén, cada fábrica ten un deseño diferente.

En xeral, o principio de funcionamento dun pulverizador de perfume pódese describir do seguinte xeito (observando a imaxe). Cando se aperta a bóla de goma, o aire do interior da bóla sae disparado polo tubo 1. Polo tanto, o aire do tubo 1 ten unha velocidade maior. Debido a que a velocidade do aire é alta, a presión do aire no tubo 1 baixa. Pola contra, o aire do tubo 2 ten unha velocidade menor. A presión do aire no tubo 2 é maior. Como resultado, o líquido do perfume é empuxado cara arriba. Cando o líquido do perfume chega ao tubo 1, o aire que sae disparado do interior da bóla de goma empúrrao cara a fóra... O líquido do perfume finalmente sae pulverizado, mollando o corpo...

Normalmente os buratos son pequenos, polo que o perfume escorrega rapidamente.

Beber cunha pipeta ou sifón

Bebiches algunha vez té xeado ou xarope cunha pipeta? Cando chupamos ou aspiramos auga cunha pipeta, en realidade facemos que o aire da pipeta se mova máis rápido. Neste caso, o aire da pipeta que temos unida á boca ten unha velocidade maior. Como resultado, a presión do aire na parte da pipeta faise menor. O aire da parte da pipeta máis próxima á bebida ten unha velocidade menor. Debido a que a súa velocidade é menor, a presión é maior. Esta diferenza na presión do aire é o que fai que a auga ou a bebida que bebemos flúa cara á nosa boca. Neste caso, o líquido móvese da parte da pipeta con alta presión de aire á parte da pipeta con baixa presión de aire.

cheminea

Viches algunha vez unha cheminea? Se vives nunha cidade como Surabaya, Semarang, Iacarta, etc., probablemente viches chemineas de fábricas. Por que sobe o fume por unha cheminea? En primeiro lugar, o fume da combustión está quente. Debido á alta temperatura, a densidade do aire é baixa. O aire cunha baixa densidade flota ou ascende facilmente. Esta non é a única razón... o principio de Bernoulli tamén está implicado.

En segundo lugar, o principio de Bernoulli afirma que se o caudal de aire é alto, a presión é baixa e, pola contra, se o caudal de aire é baixo, a presión é alta. A parte superior da cheminea está no exterior. Hai vento que sopra na parte superior da cheminea, polo que a presión do aire circundante é menor. Dentro dunha habitación pechada, non hai vento que sopra, polo que a presión do aire é maior. Polo tanto, o fume diríxese cara a fóra a través da cheminea. O aire móvese das zonas de alta presión de aire ás zonas de baixa presión de aire.

Aplicación do principio de Bernoulli e da ecuación 15

As ratas tamén coñecen o principio de Bernoulli

Mira a imaxe de embaixo. É unha imaxe dun burato de rato no chan. Os ratos tamén entenden o principio de Bernoulli.

i. As ratas non querían morrer por asfixia, polo que cavaron dous buratos a diferentes alturas. Debido á diferenza no nivel do chan, o aire quedou espremido un contra o outro. É semellante á auga que flúe dunha tubaxe cunha sección transversal grande a unha tubaxe cunha sección transversal pequena. Debido ao esmagamento, a velocidade do aire aumenta e a presión do aire diminúe.

Debido á diferenza na presión do aire, o aire vese obrigado a fluír a través do burato do rato. O aire flúe desde as zonas de alta presión atmosférica ás zonas de baixa presión.

Forza de sustentación de aeronaves

Un dos factores que permite que os avións voen é a presenza de ás. As ás dos avións son curvas, coa parte dianteira máis grosa que a traseira. Esta forma de á chámase perfil aerodinámico. Esta idea foi copiada das ás dos paxaros, que tamén teñen unha forma similar (parte dianteira curva e máis grosa). A diferenza é que as ás dos paxaros poden bater, mentres que as ás dos avións non. As aves poden voar porque baten as ás, creando un fluxo de aire que pasa por ambos os lados das ás. Para permitir que o aire flúa por ambos os lados das ás do avión, o avión debe moverse cara adiante. Os humanos usan motores para mover avións.

Aplicación do principio de Bernoulli e da ecuación 16A parte dianteira da á está deseñada para curvarse cara arriba. O aire que flúe desde abaixo choca coa súa contraparte superior, de xeito semellante á auga que flúe dun tubo cunha sección transversal grande a un tubo cunha sección transversal estreita. Como resultado, a velocidade do aire por riba da á aumenta. Debido a que a velocidade do aire aumenta, a presión do aire diminúe. Pola contra, a velocidade do fluxo de aire por debaixo da á é menor porque o aire está menos aglomerado (a presión do aire é maior). Esta diferenza de presión fai que as ás do avión sexan empurradas cara arriba.

O principio de Bernoulli é só un dos factores que fai que un avión se eleve. Outro factor é o momento. Normalmente, as ás dos avións están inclinadas lixeiramente cara arriba. O aire que golpea a parte inferior da á desvíase cara abaixo. Debido a que os avións teñen dúas ás, unha á esquerda e outra á dereita, o aire desviado choca entre si. O cambio de momento das moléculas de aire que chocan produce sustentación adicional.

Debido a que a á se curva cara abaixo cara á cola, o aire é forzado pola á a fluír cara abaixo. Segundo a Terceira Lei de Newton, toda forza de acción ten unha forza de reacción. Debido a que a á forza o aire cara abaixo, o aire debe forzar a á cara cara arriba. Neste caso, o aire exerce sustentación sobre a á. Polo tanto, o principio de Bernoulli non é o único factor que fai que un avión se eleve.

Os pescadores tamén coñecen o principio de Bernoulli

Algunha vez estiveste nun veleiro? Os pescadores tamén saben como funciona o principio de Bernoulli 😉

Deixar un comentario