關於泊肅葉方程式的文章
泊肅葉方程式由讓·路易·瑪麗·泊肅葉(1799-1869)發現。如前所述,每種流體都可以被視為理想流體。理想流體沒有黏性。如果我們假設理想流體在管道中流動,那麼流體的每一部分都以相同的速率 (v) 流動。與理想流體不同,我們日常生活中遇到的實際流體具有黏性。正因為具有黏性,所以當它在管道中流動時,例如,流體每一部分的流動速率都會改變。位於管路中間的流體層流動速度較快(v = 0),相反,緊貼管路的流體層幾乎不動(v = 0)。因此,從管道中間到邊緣,流體的每一部分都以不同的速率流動。為了便於理解,請觀察下圖。
R = 管道/管子的半徑
v1 = 中間/管軸線處的流體流量
v2 =距管邊緣r2處的流體流速
v 3 = 流體流速 r 3從管緣算起
v 4 = 流體流速 r 4從管緣算起
r = 距離
為了使流體各部分的流速相同,管道或流體流經的任何管路的兩端都需要有壓力差。這裡所說的流體指的是實際的流體,例如流經管道的水或油,在血管中流動的血液等等。除了幫助實際流體平穩流動外,壓力差還可以使流體在不同高度的管道中流動。
讓-路易·瑪麗·泊肅葉是一位對人體血液循環的物理特性感興趣的法國科學家,他研究了壓力差、管道橫截面積和管道尺寸等因素如何影響實際的流體流速。讓-路易·瑪麗·泊肅葉的研究成果被稱為泊肅葉方程式。
泊肅葉方程式可以藉助先前計算出的黏度係數方程式推導出來。我們使用黏度方程式是因為儘管情況並不完全相同,但兩者俱有相似性。在推導黏度係數方程式時,我們回顧了兩個平行板之間實際流體層的流動,流體由於吸引力 (F) 而運動。不同之處在於,我們將要推導的泊肅葉方程式描述了影響管道/管內實際流體流動以及由於壓力差而產生的流體流動的因素。因此,需要對黏度係數方程式進行修正。
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由於壓力差,流體可以流動(流體從高壓流向低壓處),那麼我們將 F 替換為 p 1 – p 2 (p 1 > p 2 )。
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在推導黏度係數方程式時,我們回顧兩平行板間實際流體層的流動。流體的每一部分在與管壁距離 l 處的速度都會改變。在這種情況下,流體的流速從管軸線到管邊緣呈現規律性變化。管軸線處的流體流速 (v) 較大,越靠近管緣,流速越小。管半徑 = 管軸線到管邊緣的距離 = R。流體每一部分到管邊緣的距離 = r。由於每一部分流體的量都很大,到管邊緣的距離也不同,因此我們可以這樣寫:
v 1 =距離管邊緣r 1處的流體速度(r 1 = R)
v 2 =距離管邊緣r 2處的流體速度(r 2 < r 1)
v 3 =距管邊緣r 3處的流體速度(r 3 < r 2 < r 1)
v 4 = 距離管邊緣r 4的流體速度(r 4 < r 3 < r 2 < r 1)
.....................................................
v n = 距管邊緣 rn 處的流體流速(rn <…… <r 4 <r 3 <r 2 <r 1)
流體各部分的量都非常大,而且我們也無法確切知道每個部分的實際量,因此只需用符號 n 表示即可。流體各部分的流速 (v) 從管軸 (r1 = R) 到管緣 (rn) 呈現規律性變化。從管軸 (r1 = R) 到管緣 (rn),各部分的流速依序減少 (v1 > v2 > v3 > v4 > … > vn )。
根據上述解釋,我們可以得出,從 R 到 rn,流體流量逐漸減少。管道長度 = L。所得方程式:
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因為我們考察的是流體流動的速度,那麼公式 2 就變成了:

這是半徑為 R 的管道內,距離管道 r 處的流體流速方程式。如果看到上面的圖片感到困惑…請注意,流體是在管道中流動的,因此我們需要回顧流體體積的流量。
管內充滿流體。例如,我們將流體分割成許多微小部分,每個部分的單位面積為dA,與管軸線間隔一定距離,流速為v。其數學表達式如下:
dA 1 = 流體部分 1,即到管軸的距離 dr 1
dA 2 = 流體部分 2,即到管軸的距離 dr 2
dA 3 = 流體部分 3,即距管軸的距離 dr 3。
..................................
dAn = 流體部分 n,即到管軸線的距離 dn
由於流體的組成部分很多,所以通常用符號 n 來表示,這樣比較方便實用。流體各部分的體積流量可用下列數學公式表示:

流體各部分與管軸的距離分別為 r = 0 到 r = R(R 為管半徑)。換句話說,流體各部分與管軸的距離是變化的。我們將得到管內流體的體積流量方程式:

Q = 流量,R = 管道或管子的半徑,η = 黏度係數,P1 – p2 =管道兩端之間的壓力差, L =管道長度,p1 - p2 /L =壓力梯度(流體流動方向始終與壓力下降方向一致)
根據上述泊肅葉方程,流體體積流量 (Q) 與管半徑 ( R₄ ) 和壓力梯度 (p₂ – p₁ / L)成正比,與黏度成反比。如果加上管半徑(黏度係數和壓力梯度固定),則流體流速將增加 16 倍。
在管道設計的基本概念中,可以使用以下公式:流體流量與 R 的4次方成正比(R 為管道半徑)。注射器或管道指狀部件的半徑需要仔細計算。例如,如果我們將針頭半徑加倍(r×2),則噴出的液體流量將增加 16 倍,拇指按壓力也會增加 16 倍。
泊肅葉方程式也表明,半徑(r⁴ )與管道兩端之間的壓力差成反比。例如,血液首先在內半徑為 r 的血管中流動。如果動脈變窄(例如,r/2 = 血管半徑減小一半),
那麼,需要16倍的壓力差才能使血液像以前一樣流動(從而使流速保持恆定)。