這部分知識出現在中學物理八年級第二卷中。 這部分與之前學習的關系如下:圖1。
當我們學習了力的基本概念后,我們將學習壓力和壓強。 只不過固體會對其下方的物體施加壓力。 流體(如空氣、水等)也有壓力和壓強。 接下來,我們了解了靜止流體的壓力。 主要是大氣壓力和液體壓力。 那么流動的流體有壓力嗎? 一定有一個。 流動流體的壓力與它有什么關系? 它有什么特別之處? 這就是本文要介紹的內容。
歷史故事
在介紹知識點之前,我先給大家講一個歷史上的真實故事。 1912年,當時世界上最大的船舶之一的遠洋貨輪奧林匹克號剛剛駛出樸茨茅斯港。 這時,英國皇家海軍霍克號巡洋艦恰好從后面靠近。 兩艘船平行行駛,相距僅百米。 而就在這時,意外發生了。 兩艘船像磁鐵一樣互相吸引,互相靠近,又相撞。
圖2 奧林匹克與霍克碰撞圖
奧林匹克號僅受到輕微損壞,并安全返回港口進行維修。 霍克號嚴重受損,幾乎翻船。 慶幸的是,此次事故并未造成重大人員傷亡。 在隨后的調查中,法院認定奧林匹克公司負有責任。 聲稱她的位移產生了吸力,將鷹拉向它。
原則
圖 3. 流速高的地方壓力低,流速低的地方壓力高。
關于流體的流量與壓力的關系,我們可以簡單地表述為:“流量大的地方壓力低,流量低的地方壓力高”。 本文不再詳細討論具體的理論計算和推導。 大家都在讀高中。 大學流體力學課程也將涵蓋它。
但這件事后來引起了科學家的注意。 他們發現,這起事故可以用伯努利100多年前發現的流體流速與壓力的關系來解釋:當兩艘船高速并排移動時,兩艘船內部的水流速度因為是由船體驅動,速度相對較快,水壓相對較低; 兩船外的水流速度較低,水壓較高。 這導致兩艘船外部的壓力大于內部的壓力。 在壓力差的影響下,事故發生了。
圖4 船舶碰撞事件中流體流速和壓力示意圖。 日常生活中的場景。
在我們的現實生活中,還有很多很多的情況都運用了這個原則。
最常見的例子是飛機在起飛時受到的升力。 您可以仔細觀察飛機機翼的橫截面。 它具有凸形的上部形狀和平坦的下部形狀。 當飛機準備起飛滑行時,上方流動的空氣路徑窄、路徑長、速度高,因此壓力相對較小。 下面的空氣流動相對緩慢。 機翼上方和下方的流速和壓力不同,從而產生向上的升力。
圖5、飛機起飛示意圖
為什么下雨天我們的雨傘很容易被風吹走? 仔細觀察傘的橫截面,看看它是否像一架飛機。 有風時,頂部流速快,壓力小,底部流速慢,壓力大。 就像飛機的機翼一樣,它們受到升力。
圖6 雨傘為什么容易被風吹走
運動員可以沿著不同的弧線移動球。 他們如何做到這一點? 只要讓球在前進的同時旋轉即可。 回想一下我們之前學過的,相對速度原理。 當球體旋轉時,球體旋轉方向與前進方向相同的一側,氣流相對于球體的流速較小; 另一側,球的旋轉方向與前進方向相反,空氣的相對流速較大。 結果,從流速小的地方到流速高的地方產生側向力,使球的軌跡彎曲,形成所謂的環球或香蕉球。
圖7. 香蕉球原理
在等待高鐵或者地鐵的時候,大家可能都注意到了地面上的安全線。 因為當火車高速行駛時什么樣的固體可以用液體壓強公式,會帶動周圍的空氣移動。 火車附近氣流速度高、壓力低,而遠處氣流速度慢。什么樣的固體可以用液體壓強公式,壓力很大。 如果壓力差,人就會被推向火車。 所以大家千萬不要跨越安全線。 當火車以50公里/小時的速度向前行駛時,軌道旁的人可能會感受到相當于80N左右的力。
圖8.人們乘坐高鐵時所感受到的吸力
有一個很有趣的案例,非洲土撥鼠洞穴的縱剖面示意圖。 洞穴有兩個出口,一個是平坦的,另一個是凸起的土丘。 這是什么原因呢? 事實證明,當空氣流過地球表面時,一個孔的流速快,另一個孔的流速慢,兩孔之間的壓力差不同。 壓力差使洞穴中的空氣得以流通。
圖9 土撥鼠洞穴通風原理
無論是飛機還是水翼船,流體都是用來提供向上的升力。 現實生活中,有些情況會利用這一原理產生向下的下壓力,例如賽車后面的尾翼。 這是一架倒立的飛機。 機翼產生向下的下壓力,使汽車更好地抓地。 關于流體流量與壓力關系的應用,在現實生活中有很多應用。 只要你細心觀察,就能發現。
圖10 賽車尾翼產生的向下壓力的家庭趣味實驗
實驗1:將紙放到嘴里,沿著紙的頂部用力吹氣,看看紙如何移動。
實驗二:用兩根筷子劃出一個軌道,上面放一個乒乓球,向中間吹空氣。 球將如何移動?
實驗3:手拿漏斗,喇叭口朝下。 用另一只手握住乒乓球,讓球面向漏斗內的細管。 松手后,球就會落下,但是如果我們用力向下吹氣到漏斗管中會發生什么?
實驗4:將一根約20厘米長的飲料吸管A插入盛滿水的杯子中,將另一根吸管B的嘴抵住A管的上端,如果用力向B管吹氣,可以看到水面A管內上升,甚至噴出。 這是什么原因呢?
圖 11. 流體速度和壓力家庭實驗參考資料
[1]。 北師大版(顏金鐸)八年級下篇
[2]。 北京師范大學版(郭玉英)八年級
[3]。 八年級蘇科版
[4]。 教育科學版
[5]。 上海科技版
[6]。 上海科技廣東教育版
[7]。 人民教育出版社