应用伯努利原理和方程

应用伯努利原理和方程

托里切利定理

应用伯努利原理和方程 1伯努利方程的一个用途是计算液体从容器底部流出的速度。

我们将伯努利方程应用于点 1(容器表面)和点 2(孔的表面)。由于容器底部孔的直径远小于容器的直径,因此假设容器表面液体的速度为零 (v₁ = 0)。容器表面和孔表面是开放的,因此压力等于大气压 (P₁ = P₂ )。因此,这种情况下的伯努利方程为:

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如果我们想计算容器底部小孔中液体的流速,则该公式变为:

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根据这个方程,容器表面距离 h 处的孔的流速等于距离 h 处自由落体的流速(参见自由落体运动)。这就是著名的托里切利定理。该定理由伽利略的学生托里切利发现,比伯努利发现他的方程早了一个世纪。

文丘里效应 

除了托里切利定理之外,伯努利方程还可以应用于其他特殊情况,即流体在高度几乎相同的管道段中流动(高度差很小)。为了理解…… 笔j因此,请看图。 应用伯努利原理和方程 4

在上图中,管道横截面较大的部分和横截面较小的部分的高度似乎几乎相同,因此它们被视为高度相同。在这种情况下,伯努利方程变为:

应用伯努利原理和方程 5当流体流经一段横截面较小的管道时(A2那么流体速度就会增加。根据伯努利原理,如果流体速度增加,流体压力就会降低。管道狭窄部分的流体压力较小,但流体流量较大。

这就是所谓的文丘里效应,它定量地表明,如果流体流速高,流体压力就会低;反之,如果流体流速低,流体压力就会高。

文丘里流量计

文丘里效应的一个有趣应用是文丘里流量计。这种仪器用于测量流体流量,例如计算水或油在管道中的流速。文丘里流量计有两种类型:一种没有压力计,另一种则使用装有其他流体(例如水银)的压力计。它们的工作原理相同。

无压力表的文丘里流量计

应用伯努利原理和方程 6下图所示为用于测量管道中液体流量的文丘里流量计。

当液体流经截面较小的管道段(A₂ )时,液体流速增大。根据伯努利原理,液体流速增大,液体压力减小。因此,大截面处的液体压力大于小截面处的液体压力(P₁ > P₂ )。反之,v₂ > v₁

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所求的是大截面处的液体流速 (v1 )。我们将公式 1 中的v2替换为公式 2 中的v2。

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要计算某一深度处的流体压力,请使用以下公式:

p = ρgh → 方程 a

如果流体密度差异很小,则可以使用该方程来确定不同高度处的压力差。因此,方程 a 可以改写为:

Δp = ρgΔh

对于上述情况,该等式可以改为:

p 1 − p 2 = ρ gh → 方程 b

现在我们将等式 3 中的p 1 - p 2替换为等式 b 中的p 1 - p 2 :

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由于液体性质相同,密度也必然相同。从方程中消去ρ。

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皮托管

如果使用文丘里流量计测量液体的流量,则使用皮托管测量气体或空气的流量。1 号点的孔与气流方向平行。这两个孔的位置距离……相当远。 应用伯努利原理和方程 11皮托管末端,使得孔外空气的速度和压力与自由流动​​空气的速度和压力相同。在这种情况下,v1 = 自由流动空气流量(这是我们要测量的)和压力计左臂(左侧管道)上的压力 = 自由流动空气压力(P)。1).

通往压力计右侧支腿的孔与气流方向垂直。因此,流经该孔(中间部分)的气流速度逐渐减小,并在到达点 2 时停止。此时,v₂ = 0。压力计右侧支腿处的压力等于点 2 处的气压 (P₂ )。点 1 和点 2 的高度几乎相同(差异不大),因此可以忽略不计。

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压差 (P2 - P1 ) = 压力计中液体的静水压力(压力计中黑色部分为液体,即水银)。数学表达式如下:

p 2 − p 1 = ρ ' gh → 方程 2

ρ' = 压力计中液体的密度

观察等式 1 和等式 2。等式左侧等于 (P₂ - P₁ )。因此,等式 1 和等式 2 可以改写成如下形式:

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香水喷雾器

应用伯努利原理和方程 14这是总体概述,但每个工厂的设计都不同。

一般来说,香水喷雾器的工作原理可以描述如下(请参考图片):当挤压橡胶球时,橡胶球内的空气会通过管道1喷出,因此管道1内的空气流速较高。由于空气流速高,管道1内的气压较低。相反,管道2内的空气流速较低,气压较高。因此,香水液体被向上推。当香水液体到达管道1时,从橡胶球内喷出的空气会将其推出……最终,香水液体喷出,润湿身体……

通常孔都很小,所以香水很快就会流出来。

用滴管或虹吸管喝水

你有没有用滴管喝过冰茶或糖浆?当我们用滴管吸水时,实际上是加快了滴管内空气的流动速度。在这种情况下,滴管靠近我们嘴边的那部分空气速度更快,导致其气压降低。而靠近饮料那部分空气的流动速度较慢,因此气压更高。正是这种气压差使得我们喝的水或饮料能够流入口中。液体从气压较高的那部分流向气压较低的那部分。

烟囱

你见过烟囱吗?如果你住在泗水、三宝垄、雅加达等城市,你可能见过工厂的烟囱。为什么烟会从烟囱里冒出来呢?首先,燃烧产生的烟温度很高。由于温度高,空气密度低。密度低的空气容易漂浮,也就是上升。但这并非唯一的原因……伯努利原理也发挥了作用。

其次,伯努利原理指出,如果空气流量大,压力就低;反之,如果空气流量小,压力就高。烟囱顶部位于室外,有风吹过,因此周围的气压较低。在封闭的房间内,没有风吹,所以气压较高。因此,烟雾会通过烟囱排出。空气总是从高气压区域流向低气压区域。

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老鼠也懂得伯努利原理。

请看下图。这是一张地上老鼠洞的图片。老鼠也懂得伯努利原理。

老鼠不想窒息而死,于是挖了两个高度不同的洞。由于地面高度不同,两个洞里的空气相互挤压。这类似于水从横截面积较大的管道​​流向横截面积较小的管道。由于挤压作用,空气流速增加,气压降低。

由于气压差,空气被迫流过鼠洞。空气从高气压区域流向低气压区域。

飞机升力

飞机能够飞行的关键因素之一是机翼的存在。飞机机翼呈弧形,前缘比后缘厚。这种机翼形状被称为翼型。这种设计借鉴了鸟类的翅膀,鸟类的翅膀也具有类似的形状(弧形且前缘较厚)。不同之处在于,鸟类的翅膀可以拍动,而飞机的机翼则不能。鸟类之所以能够飞行,是因为它们拍动翅膀,使气流流过机翼两侧。为了让气流流过飞机机翼两侧,飞机必须向前移动。人类使用发动机来驱动飞机。

应用伯努利原理和方程 16机翼前缘设计成向上弯曲。下方的气流与上方的气流相互碰撞,就像水从横截面较大的管道​​流向横截面较小的管道一样。结果,机翼上方的气流速度增加。由于气流速度增加,气压降低。相反,由于下方空气较为稀疏(气压较高),气流速度较低。这种压力差使飞机机翼向上运动。

伯努利原理只是飞机产生升力的因素之一。另一个因素是动量。通常,飞机机翼略微向上倾斜。撞击机翼下表面的空气会向下偏转。由于飞机有两个机翼,分别位于左侧和右侧,偏转的空气会相互碰撞。碰撞空气分子动量的变化会产生额外的升力。

由于机翼向下弯曲至尾部,空气受到机翼的拉力向下流动。根据牛顿第三定律,每一个作用力都有一个反作用力。因为机翼向下迫使空气流动,所以空气必然向上推动机翼。在这种情况下,空气对机翼产生升力。因此,伯努利原理并非飞机产生升力的唯一因素。

渔民也了解伯努利原理。

你坐过帆船吗?渔民们也深谙伯努利原理😉

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