Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

§ 9.8. Гидродинамика. Ламинарное и турбулентное течение

• Мы познакомились с некоторыми механическими свойствами неподвижных жидкостей. Явления в движущихся жидкостях намного сложнее. Они изучаются в гидродинамике.
• Раздел механики, изучающий движения жидкостей и газов, а также взаимодействие движущихся жидкостей и газов с твердыми телами, называется гидро- и аэродинамикой.

Гидродинамика

Движение воды в реке или по трубам водопроводов, движение огромных масс атмосферного воздуха, крови в кровеносных сосудах, движение самолета, пули, снаряда, ракеты, автомобиля, лопастей вентилятора, парашюта, полет птиц и насекомых, семечка одуванчика — все эти движения подчиняются законам гидро- и аэродинамики. Стремительное развитие авиации и ракетной техники, водного транспорта во многом связано с этим разделом механики. Изучение движения жидкостей и газов имеет очень важное значение для техники.

Жидкости и газы существенно отличаются друг от друга. Различие между жидкостями и газами обусловлено большой сжимаемостью газов. Несмотря на это, явления в неподвижных жидкостях и газах, как мы видели, аналогичны (закон Паскаля, закон Архимеда).

При исследовании движения в жидкостях и газах эта аналогия во многом сохраняется.

Опыты и расчеты показывают, что при скоростях, значительно меньших скорости звука (при нормальных условиях 340 м/с), можно не учитывать сжимаемость воздуха и других газов (она достаточно мала). Это дает право применять к газам те же законы, что и к очень мало сжимаемым жидкостям. Поэтому в дальнейшем под словом «жидкость» мы будем понимать как жидкости, так и газы в обычном значении этих слов.

Заметим, что при скоростях, близких к скорости звука и превосходящих ее, сжимаемость газов становится существенной. При этом газы сильно разогреваются. Такого рода процессы нельзя исследовать только законами механики, не учитывая тепловые явления.

В общем случае движения жидкости нужно учитывать наличие сил внутреннего трения или вязкости. Вязкостью называется свойство жидкости оказывать сопротивление относительному перемещению своих частей.

Явления, связанные с вязкостью и сжимаемостью, усложняют исследование движения жидкости. Поэтому вначале полезно отвлечься от усложнений, вносимых ими в картину движения жидкостей. Жидкость, вязкостью и сжимаемостью которой можно пренебречь, называют идеальной жидкостью. Мы в основном будем рассматривать явления в идеальной жидкости.

Наблюдение движения жидкостей

Один из способов наблюдения течения жидкости состоит в том, что к жидкости подмешивают алюминиевый порошок и следят при сильном освещении за движением алюминиевых блесток. Если сфотографировать жидкость с малой выдержкой, то каждая блестка дает на фотографии небольшую черточку, длина которой пропорциональна модулю скорости частиц жидкости, а направление движения указывает на направление их скорости. Полученная таким способом фотография дает наглядную картину распределения скоростей, существующих в данный момент в жидкости.

На рисунке 9.35, а, сделанном с фотографии текущей жидкости, видно, что наибольшая скорость наблюдается в самом узком сечении трубы.

Рис. 9.35

При более длительной выдержке черточки на фотографии сливаются в сплошные линии (рис. 9.35, б), представляющие собой траектории частиц, которые совпадают с так называемыми линиями тока. Под этим термином понимают линии, проведенные так, что касательные к ним совпадают по направлению со скоростями частиц жидкости в соответствующих точках пространства (рис. 9.35, в). По картине линий тока можно судить не только о направлении, но и о модуле скорости в разных точках пространства текущей жидкости: там, где скорость больше, линии тока расположены гуще и, наоборот, где скорость меньше, линии тока расположены реже (см. рис. 9.35, б).

Ламинарное и турбулентное течение

Движение жидкости, при котором отдельные слои ее скользят друг относительно друга, не перемешиваясь, называется ламинарным (слоистым) течением. Движение жидкости, сопровождающееся перемешиванием ее различных слоев с образованием завихрений, называется турбулентным (вихревым).

Все многообразие движений жидкости можно разделить на эти два вида движения. Ламинарным является течение воды в спокойных реках. Оно наиболее просто и поэтому хорошо изучено. Мы в основном ограничимся рассмотрением ламинарного течения.

Однако наиболее распространенным является турбулентное движение. Именно с ним чаще всего имеют дело при изучении явлений в атмосфере, в потоках быстрых рек и океанских течениях и т. п. Примерами турбулентного движения могут служить беспорядочное движение дыма из заводских труб, завихрения воды в реках за сваями мостов и за кормой быстроходного катера, движение газов, выбрасываемых из выхлопных труб двигателей внутреннего сгорания и ракетных двигателей, образование смерчей и т. п.

Ламинарное течение переходит в турбулентное, если увеличивается скорость течения. Течение жидкости удобно наблюдать с помощью прибора, изображенного на рисунке 9.36, а, б. Прибор состоит из широкой стеклянной трубки, соединенной через боковой отросток с водопроводом. В торец трубки через пробку введена тоненькая трубочка, соединенная с сосудом, в который налита подкрашенная жидкость. Пока скорость воды невелика, струйка подкрашенной жидкости спокойно, не распадаясь, движется вместе с водой по трубе. Это ламинарное течение (см. рис. 9.36, а).

Рис. 9.36

Постепенно открывая водопроводный кран, мы можем так увеличить скорость движения воды, что возникнет турбулентное течение. Жидкость завихряется, и окрашенная струйка размывается в широкую ленту с неровными краями (рис. 9.36, б).

Турбулентное движение в реальных жидкостях очень сложно. До сих пор нет полной теории его, хотя проблемы турбулентности изучаются уже более ста лет.

Наиболее простым является ламинарное (без завихрений) движение жидкостей. Его мы будем изучать в дальнейшем. Турбулентное {вихревое) движение наиболее часто встречается, но слишком сложно для изучения его в школе.