伯努利原理與伯努利方程式的應用

本文探討了伯努利原理和伯努利方程式的應用。

托里切利定理

伯努利原理與伯努利方程式的應用 1伯努利方程式的一個用途是計算液體從容器底部流出的速度(見圖)。

我們在點 1(容器表面)和點 2(孔表面)上應用伯努利方程式。由於容器底部孔的直徑遠小於容器的直徑,因此容器表面上液體的速度被視為零(v₁ = 0)。容器表面和孔表面是開放的,因此壓力等於大氣壓力(P₁ = P₂ )。因此,這種情況下的伯努利方程式為:

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如果我們想計算容器底部小孔中液體的流速,則方程式變為:

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流體的密度相同,因此 ρ 可以消除。

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根據這個方程,從容器表面算起的小孔中水的流速與…相同

水自由落體高度為 h 時的流速(與自由落體運動進行比較)。這就是著名的托里切利定理。這個定理由伽利略的學生托里切利發現,比伯努利發現方程式早了一個世紀。

文丘里效應

伯努利原理與伯努利方程式的應用 5除了托里切利定理之外,伯努利方程式還可以應用於其他特殊情況,即流體在高度幾乎相同的管道段中流動的情況。為了更好地理解這一點,請觀察下圖。

從上圖可以看出,管道的高度,包括管道橫截面積較大的部分,以及

管道中截面面積較小的部分長度幾乎相同,因此高度也相等。在這種情況下,伯努利方程式變為:

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當流體流經管道的一小部分(A2 )時,流速增加。根據伯努利原理,流體速度增加時,流體壓力會減少。因此,管道狹窄部分內的流體壓力較低,但流速較高。

這就是所謂的文丘里效應,它定量地表明,如果流體流速高,流體壓力就會降低;同樣地,如果流體流速低,流體壓力就會升高。

文丘里流量計

文丘里效應的一個有趣應用是文丘里流量計。這種儀器用於測量流體的流量,例如計算水或油在管道中的流速。文丘里流量計有兩種:一種是不含壓力計的文丘里流量計,另一種是帶有壓力計的文丘里流量計,壓力計內裝有其他液體,例如汞。它們的工作原理相同。

沒有壓力表的文丘里流量計

伯努利原理與伯努利方程式的應用 7下圖所示為文丘里流量計,用於測量管道中液體的流量。

當液體流經管道的一小段(A2 )時,液體流速增加。根據伯努利原理,如果流體流速增加,液體的壓力就會減少。因此,大段管道中的液體壓力大於小段管道中的液體壓力(P1 > P2 )。相反,v2 > v1

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因為 P1 > P2且v2 > v1 ,所以方程式可以改寫為:

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方程式1。

連續性方程式:

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方程式2。

所求的是大橫截面上的液體流速(v1 )。我們將公式 1 中的v2替換為公式 2 中的v2。

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方程式3。

要計算某一深度的流體壓力,請使用下列公式:

p = ρgh → 方程式 a

如果流體密度差異很小,則可使用此公式確定不同高度的壓力差。因此,公式 a 可以改為:

Δp = ρgΔh

對於上述情況,該等式可以改為:

p 1 − p 2 = ρ gh → 方程式 b

現在我們將方程式 3 中的p 1 – p 2替換為方程式 b 中的p 1 – p 2 :

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因為液體性質相同,所以密度也相同。從方程式中消去ρ。

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皮托管

伯努利原理與伯努利方程式的應用 14如果使用文丘里流量計測量液體的流量,則使用皮託管測量氣體或空氣的流量。 1 號點的孔與氣流方向平行。這兩個孔的位置距離皮託管末端足夠遠,使得孔外空氣的流量和壓力與自由流動空氣的流量和壓力相同。在這種情況下,v1 = 自由流動空氣的流量(這是我們要測量的)和壓力計左腳(左側管道)上的壓力 = 自由流動空氣壓力 (P)。1).

壓力計右腳的孔垂直於氣流方向。因此,流經此孔(中間孔)的空氣流速逐漸降低,並在到達點 2 時停止。此時,v₂ = 0。壓力計右腳的壓力等於點 2 的氣壓 (P₂)。點 1 和點 2 的高度幾乎相同(差異不大),因此可以忽略不計。

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壓力差 (P₂ – P₁ ) = 壓力計中液體的靜水壓力(壓力計中的黑色部分是液體,即水銀)。數學表達式為:

p 2 – p 1 = ρ 'gh → 方程式 2

ρ' = 壓力計中液體的密度

等式 1 和等式 2。左側線段相同 (P2 – P1 ) 。因此,等式 1 和等式 2 可以改寫為:

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用滴管喝

你有用滴管喝過水嗎?當我們用滴管吸水時,滴管內的空氣流動速度會加快。在這種情況下,靠近我們嘴邊的滴管內的空氣速度更快,導致該段滴管內的氣壓降低。而靠近水面的滴管內的空氣速度較慢,因此氣壓較高。正是這種氣壓差使得水能夠流入我們的口中。在這種情況下,液體會從滴管內氣壓較高的部分流向氣壓較低的部分。

煙囪

你看過煙囪嗎?為什麼煙能從煙囪往上冒呢?首先,燃燒產生的煙氣溫度很高。由於溫度高,空氣密度小。密度小的空氣容易漂浮或向上移動。原因不僅如此,伯努利原理也與此有關。

其次,伯努利原理指出,如果氣流速度高,壓力就會降低;反之,如果氣流速度低,壓力就會升高。煙囪頂部位於室外,有風吹過煙囪頂部,因此周圍的氣壓較低。在封閉的房間裡,沒有風吹,所以氣壓較高。因此,煙霧會從煙囪排出。空氣總是從氣壓高的地方流向氣壓低的地方。

地面上的鼠洞

伯努利原理與伯努利方程式的應用 17請注意下圖。這是地面上一個老鼠洞的示意圖。老鼠也懂得伯努利原理。為了避免因呼吸困難而死,老鼠會挖兩個高度不同的洞。由於地面高度的差異,兩個洞內的空氣會發生碰撞。這就像水從大直徑管道流向小直徑管道一樣。因此,空氣流速增加,氣壓降低。

由於氣壓有差異,空氣會被迫流過鼠洞。空氣從氣壓高的地方流向氣壓低的地方。

飛機機翼和動態升力

飛機飛行的關鍵因素是機翼。機翼呈弧形,前緣比後緣厚。這種機翼形狀稱為翼型。這種設計靈感來自鳥類的翅膀。鳥類的翅膀形狀也與此類似(鳥類的翅膀呈弧形,前緣較厚)。不同之處在於,鳥類的翅膀可以拍動,而飛機的機翼則不能。鳥類之所以能夠飛行,是因為它們拍動翅膀,使氣流能夠流過機翼兩側。而飛機要使氣流流過機翼兩側,就必須推動飛機前進。人類使用機械裝置來驅動飛機。

伯努利原理與伯努利方程式的應用 18機翼前緣設計成向上彎曲。下方的氣流與上方的氣流相互碰撞,就像水從大截面管道流向小截面管道一樣。結果,機翼上方的氣流速度加快,因為當氣流速度加快時,氣壓會降低。相反,機翼下方的氣流速度較慢,因為氣流沒有受到碰撞(氣壓較高)。這種壓力差的存在,使飛機機翼產生升力。

伯努利原理只是其中一個因素。另一個原因是動量。通常情況下,飛機機翼會略微向上傾斜。撞擊機翼下表面的氣流會向下偏轉。由於飛機左右兩側各有一個機翼,向下偏轉的氣流會互相碰撞。碰撞產生的空氣分子動量變化會產生額外的升力。

因為機翼的形狀向下彎曲至尾部,迫使空氣再次向下流動。根據牛頓第三定律,有作用力就一定有反作用力。由於機翼迫使空氣向下流動,空氣必然會迫使機翼向上移動。在這種情況下,空氣對機翼產生升力。因此,飛機升力的產生並非僅源自於伯努利原理。