Движение жидкости
- Основные характеристики давления в движущейся жидкости.
- Виды движения жидкостей.
- Ряд важных методов для описания движения жидкости.
Люди всегда интересовались, как правильно применять энергию, с которой движется жидкость. Было множество попыток направить ее на пользу человеку и для решения ряда его потребностей. Было установлено, что вода может осуществлять круговорот, но для этого явления нужно, чтобы солнце оказывало влияние. Источником необходимой энергии может стать движение ручья, горного потока.
Основные характеристики давления в движущейся жидкости.
Когда жидкость находится в текучем состоянии, в ней может находиться два типа давления:
- динамическое давление и статическое давление.
Ученые долгое время работали надо выяснением причин возникновения статического давления, они пришли к выводу, что оно возникает во время сжатия жидкости. Статическое давление можно заметить в трубах, по которым передвигается жидкость. Оно давит на стенки труб.
Динамическое давление связано со скоростью, с которой движется поток жидкости. Что обнаружить данный вид давления, надо остановить поток жидкости, давление будет проявляться в виде напора.
Определение 1.
Чтобы определить полный показатель давления, нужно сложить показатели статического и динамического давления.
Если жидкость не двигается, то динамическое давление будет равно нулю. Статическое давление в этом случае можно будет измерить с помощью манометра.
Если жидкость находится в движение, то измерить давление в ней будет достаточно непросто. Манометр, который погрузили в воду для проведения точных измерений, не сможет их осуществить. Он сам будет оказывать влияние на скорость, с которой вода совершает движение и изменять ее. Соответственно, давление тоже не сможет оставаться неизменным. Надо расположить манометр так, чтобы он совершал движение вместе с той или иной жидкостью, в которую будет погружен. Однако логично представить, что сделать это весьма проблематично. Для того чтобы облегчить данные измерения, были усовершенствованы манометры, которые представлены в виде трубок. Они не влияют на скорость и давление.
В трубке манометра жидкость достигает определенной высоты, уровень будет идентичен давлению, которое есть в конкретном месте трубы. Существует название для такой трубки по имени создателя Пито. Чтобы установить полный показатель давления, нужно расположить трубку перпендикулярно проходящим линиям тока. Как только жидкость окажется в трубке, она остановится. Высота, которую она успела достичь, будет равняться давлению в том самом месте.
Во время проведения измерений статического давления, когда жидкость находится в движение, будет выявлена закономерность, согласно которой, чем уже часть трубы, тем меньше давление в этой области.
Скорость течения потока жидкости будет иметь обратно пропорциональное значение от площади трубки. Таким образом, можно сформулировать вывод, что давление с движущейся жидкости не зависит от ее скорости.
Виды движения жидкостей.
Ученые смогли выявить несколько наиболее часто встречающихся видов движения различных жидкостей. Среди них можно выделить равномерное движение и неравномерное, установившееся и неустановившееся, с помощью напора и без напора, движение, которое происходит равномерно, а также прерывисто.
К установившемуся виду относят движение жидкости, которое не изменяется с течением времени и скорости движения.
Если скорость меняется вместе с давлением, то движение считается нестационарным. Примером здесь является возможность жидкости вытекать из емкости. Если количество жидкости уменьшается, то она будет вытекать медленнее.
Установившееся движение можно назвать равномерным, потому что скорость вытекания жидкости будет равна длине потока той или иной жидкости. Как пример можно использовать передвижение жидкости по трубе, которая имеет форму цилиндра. Такое движение быть равномерным даже в том случае, когда скорость разная.
Стоит поговорить о напорном движении. Как понятно из самого названия термина, оно осуществляется под действием напора. Поток воды находится между стенками, свободной поверхности нет. Разность давления в трубах обеспечивает прохождение воды.
В безнапорном движении напор не принимает участия, поток воды осуществляет свободное движение. Например, такое движение можно наблюдать в трубах канализации. Такой вид движения обеспечивают силы тяжести.
Если поток жидкости не ограничен ничем, его называют свободной струей, тогда жидкость осуществляется инерционное перемещение. Если обратить внимание на открытый кран водопровода, то вода будет двигаться именно таким образом после того, как кран откроют.
Замечание 1.
Какое движение жидкости можно считать плавно изменяющимся? Это движение струй жидкости с наименьшим отклонением. Угол, который образуется в результате, очень невелик.
Ряд важных методов для описания движения жидкости. В ходе длительных исследований физики смогли предложить несколько способов, чтобы описывать движение жидкости. Они получили названия по имени своих основателей, это способ Эйлера и Лагранжа.
Следует подробнее рассмотреть каждый из них. Лагранж предложил теорию, согласно которой существует определенная система координат. Она будет содержать начальные значения точек во временной функции. Такой способ можно применять, чтобы описывать движение жидкости, если поток частиц будет непрерывен и составляет сплошное пространство без пробелов.
Если имеется вся информация о том, какова полная масса жидкости, то с этой теорией работать достаточно сложно. Широкого распространения данный метод не получил. Можно предположить, что это связано с трудностями при установлении данных, на которых базируется теория. Тут на помощь приходит второй способ Эйлера.
В основе способа Эйлера лежит предположение о том, что существует мгновенная скорость и не одна. Сумма этих показателей может дать представление о том, в какой области располагается поток жидкости, и какова его площадь. Данное поле имеет направление, в нем нужно зафиксировать определённый участок, на его примере легко следить, как меняется скорость в течение времени движения. Такой способ нашел большее распространение среди ученых.