Замкнутый сосуд с жидкостью
Добрый день наш уважаемый читатель. Получая часто вопросы от наших клиентов в 90% процентов из всех случаев, мы даем быстрые, четкие и грамотные ответы нашему собеседнику. Дело в том, что нашего богатого опыта работа отлично хватает чтобы закрыть потребности среднестатистического клиента или спикера.
Развернуто и не очень мы уже отвечали в нашем блоге людям на следующие вопросы:
Поставленная задача
Сейчас перед нами встала следующая задача вот такого содержания: есть сосуд с неизменяемым объемом жидкости внутри него. Предположим, что сосуд состоит из обыкновенного железа, например, возьмем простой накопительный бойлер (V = 50 литров). Начальное давление в системе 2 атмосферы, начальная температура воды Т1 = 17 градусов цельсия, конечная температура после нагрева Т2 = 57 градусов цельсия. Исходные параметры могут быть разные, но конечная задача, на которую нужно получить ответ будет следующая: какое давление будет в закрытом сосуде при нагреве воды до указанной температуры Т2, если учесть, что краны на сосуде (вход и выход) находятся в положении закрыто, и начальный объем не изменяется??? Давление можно снимать (измерять) при помощи встроенного или выносного трубного манометра. Расширительного бака нет. Все для эксперимента.
Остаемся на связи в любой момент! Компания Монтажник работает для Вас!
Закон и формула Шарля
Начав решать эту задачу, каждый может прибегнуть к такому ответу: «да ладно, это же задачка за 7 класс, тут нужно применять формулу известного физика Шарля, Вы что учебник физики не читали?». Далее следует решение:
Формула: (273+t2)/(273+t1)=коэффициент увеличения давления от исходного.
(273+57)/(273+17)=330/290=1.13.
1.13 умножаем на 2 получаем что давление будет равно 2.26 после нагрева жидкости с 17 до 57 на 40 единиц.
Ну дела, вот же решение, зачем страдать дальше? Но нет друзья, это решение конечно же хорошее – но применимо только для изохорных идеальных газов, но не в коем случае не для жидкости, представленной у нас на примере воды.
Едем дальше изучая попутно других известных святил физики, и воуля мы натыкаемся на еще одно решение.
Для расчетов берем исходные данные из чего изготовлен сосуд, у нас это железо. Коэффициент объёмного расширения железа стабильно одинаковый, берем за основу среднее значение 0,000036, а вот коэффициент объема воды изменяется в зависимости от ее нагрева. Примерно 0,00015 при 20 градусах цельсия и 0,00045 при 60 градусах цельсия. Среднее значение путем сложения из двух данных получаем 0,00030.
Чтобы посчитать объем во сколько увеличиться объем в сосуде воспользуемся формулой: 1 + коэффициент расширения железа * (t2-t1).
В цифрах будет выглядеть так: 1 + 0,000036 * (57 – 17) = 1.002;
В качестве информационной нагрузки узнаем еще на сколько бы увеличился V воды если бы она была вне сосуда: 1 + 0,0003 * (57 – 17) = 1,012. Далее все упирается на сколько же прочный Ваш сосуд и не раздует ли его при повышении давления.
Чтобы узнать процентное увеличение объема воды с воздействием на сосуд воспользуемся следующей формулой подставим все цифры: 1,012 / 1,002 * 100 – 100 = 1 %.
Обратившись к учебнику физики, мы узнаем, что при давлении каждой атмосферы объем воды уменьшается на 0,000006. Например, 50 литров, при одной атмосфере сожмется на 0,001 и будет 49.999. Зато по сравнению с газами сжимаемость жидкостей действительно ничтожна: в десятки тысяч раз меньше.
Если объём воды при 2 атм = 50 литров, то при 500 атм объём станет примерно на 1 литр меньше. (разница в двух числах 2%).
1%/2% * 500 = 250 атмосфер, то значение при котором по идее должно разорвать Ваш бак и то давление которое будет у вас при нагреве. Честно, считаем это какой-то бред и не он никак не сочетается с реальными жизненными показателями, полученными в ходе эксперимента.
Изучав дальше интернет и опираясь на наши знания всех из коллег нашего отдела было перепробовано масса различных вариантов и изучено мнений других людей, которые потом можно было бы использоваться для выявления формулы по нашей задаче:
Вода при нагревании увеличивается в объеме до 4%, т.е. 50 наших литров должны превратиться в 52 литра за счет ее расширения, но применить данную теорию в нашем вопросе нам пока не удалось. Мы даже изучили соотношение плотности льда к плотности воды и поняли объем в этом случае увеличивается на 11 процентов.
Есть мнение (алгоритм) с нашей стороны что ни одну из формул применить тут нельзя, так как в баке или бойлере представленным нами невозможно заполнить его на все 100% жидкостью, какую часть в одной жидкости все равно будет составлять воздух, который в этом случае будет работать как расширительный бак и возможно поэтому те 800 атмосфер которые получаются у разных людей нормализуются тем количеством воздуха который содержаться в сосуде.
Если Вы физик или технически подкованный человек, разбираетесь в данном вопросе и готовы разрешить наш спор и получить ответ на поставленную задачу – ждем Ваших решений под этой записью в комментариях.
Со своей стороны хотим так же сказать, что при проведении реального эксперимента и нагрева воды в бойлере с 18-20 градусов до 50, давление поднялось по манометру с 1.5 очков (бар, атмосфер) примерно и до 5 бар.
Спасибо за проявленный труд, терпение и прочтение данной статьи. Надеемся что этот вопрос решится в ближайшее время и мы найдем грамотный ответ.
Всего Вам доброго и приятного дня.
Другие полезные записи в блоге – только для Вас!
- Котел КСУВ наружного размещения. Почему он является лучшим из всех? Технические особенности, выбор большинства организаций. Котельная больше не нужна. Устанавливай прямо со зданием.
- История на “миллион”, как мы помогли ДОЛ “Лесное озеро”. Крупный DIY проект России, сделай сам!
- Тепловой пункт: какой промышленный котел выбрать?
- Наглядный ремонт КЧМ руками наших специалистов.
- ОАО “Кировский завод” банкрот. Какая судьба ожидает котлы КЧМ-5, КЧМ-5К, КЧМ-7 Гном?
- Почему в котлах КЧМ-5К не используются колосники? Техническая информация и не только.
- Все основные запасные части к котлу КЧМ, артикулы, описание и много полезной информации.
- Лемакс – лучшее соотношение цена/качество в бытовых котлах.
- 1000 колосников на складе компании МОНТАЖНИК – новый завоз.
- Что такое колосник? Расскажем все очень подробно.
- Почему котлы ИШМА покупают 90 из 100 клиентов. Лучшее соотношение цены-качества.
- Лучший конкурент котла Buderus, Valliant, Protherm – это Кентатсу (Kentatsu) – или как мы его называем один в поле ВОИН! А так же там мы ответили на вопрос, что лучше русский КЧМ или Турецкояпонский гигант?
- Полная подробная инструкция по монтажу промышленных котлов
- Посмотреть все статьи и новости
Наши отправки (отгрузки), услуги и выполненные работы:
Статьи посвященные нашим отгрузкам не только поднимают наш авторитет как считаем мы, но они направлены на увеличение доверия со стороны потенциальных клиентов. Нам нечего скрывать – мы делимся с Вами своими продажами и успехами. У нас нет скрытых продаж и ухода от налогов. Мы стараемся делать наше с Вами сотрудничество и работу максимально прозрачными. Мы хотим чтобы Вы доверяли нашей команде!
Если у Вас есть идеи о том, о том что Вы бы хотели увидеть на нашем канале. То присылайте их на нашу легкую почту: 426909@bk.ru. Если Вам понравилась статья оцените ее, поставьте палец вверх слева экрана (если Вы читаете ее с компьютера), а также подпишитесь на наш блог, Вас ждет много полезной и интересной информации.
С вами на связи была компания ООО “Монтажник” – официальный дистрибьютор нескольких заводов изготовителей по всей стране. По вопросам приобретения котлов, насосов и другого сопутствующего оборудования (запчасти, дымоходы, автоматика) можете обращаться по телефонам: 8(47354) 2-55-25; 2-69-09 или на электронную почту: 426909@bk.ru или montagnikvrn@yandex.ru.
Наш логотип
Отзывы о нашей компании:
15 лет на рынке – ни одного плохого отзыва за все время работы.
Посмотреть все отзывы.
СПАСИБО ЧТО ОСТАЕТЕСЬ С НАМИ! Рассказывайте друзьям, делитесь материалом со своими знакомыми. Нам важен каждый.
Компания которая относится к своему клиенту с ДУШОЙ!
Заказ через наш интернет магазин
Источник
Ìåõàíèêà ñïëîøíûõ ñðåä. Ëåêöèè.
Âûòåêàíèå æèäêîñòè ÷åðåç îòâåðñòèå â ñîñóäå.
Ïóñòü æèäêîñòü, çàïîëíÿþùàÿ ñîñóä, ïîä äåéñòâèåì ñèëû òÿæåñòè âûòåêàåò èç íåãî ÷åðåç îòâåðñòèå â áîêîâîé ñòåíêå, ðàñïîëîæåííîå âáëèçè äíà ñîñóäà (ðèñ. 3.6).  îòâåðñòèå âñòàâëåíà ãîðèçîíòàëüíàÿ òðóáêà ñ çàêðóãëåííîé âíóòðåííåé êðîìêîé, íàïðàâëÿþùàÿ âûòåêàþùóþ ñòðóþ âîäû. Çàêðóãëåííàÿ êðîìêà îáåñïå÷èâàåò ïîëíîå çàïîëíåíèå òðóáêè âûòåêàþùåé æèäêîñòüþ.
| Ðèñ. 3.6. |
Ðàçîáüåì òåêóùóþ æèäêîñòü íà òðóáêè òîêà. Îäíà èç òàêèõ òðóáîê èçîáðàæåíà íà ðèñóíêå 3.6. Õîòÿ ìû è íå çíàåì, êàê âûãëÿäÿò ýòè òðóáêè, îäíàêî âñå îíè íà÷èíàþòñÿ íà ñâîáîäíîé ïîâåðõíîñòè æèäêîñòè è çàêàí÷èâàþòñÿ íà âûõîäíîì òîðöå ñëèâíîé òðóáêè. Åñëè ïëîùàäü îòâåðñòèÿ òðóáêè S çíà÷èòåëüíî ìåíüøå ïëîùàäè ñâîáîäíîé ïîâåðõíîñòè S0, òî ïðè èñòå÷åíèè æèäêîñòè åå îïóñêàþùàÿñÿ ñ íåêîòîðîé ñêîðîñòüþ v0 ïîâåðõíîñòü áóäåò îñòàâàòüñÿ ãîðèçîíòàëüíîé. Ýòî îçíà÷àåò. ÷òî êîíñòàíòà, âõîäÿùàÿ â óðàâíåíèå Áåðíóëëè (3.14), áóäåò îäèíàêîâà äëÿ âñåõ òðóáîê òîêà:
Çäåñü H – âûñîòà óðîâíÿ æèäêîñòè â ñîñóäå. Ïîýòîìó ñêîðîñòü èñòå÷åíèÿ æèäêîñòè v îïðåäåëÿåòñÿ èç óðàâíåíèÿ
| (3.17) |
ãäå p0 – àòìîñôåðíîå äàâëåíèå íà ñâîáîäíîé ïîâåðõíîñòè è ó ñëèâíîé òðóáêè. Ïîñêîëüêó SS0, òî èç óñëîâèÿ íåñæèìàåìîñòè (3.2) ñëåäóåò, ÷òî v0v. Ñ ó÷åòîì ýòîãî ñêîðîñòü èñòå÷åíèÿ èç (3.17) ïîëó÷àåòñÿ ðàâíîé
| (3.18) |
Ýòà ôîðìóëà íîñèò íàçâàíèå ôîðìóëû Òîðè÷åëëè, ïîñêîëüêó áûëà ïîëó÷åíà Òîðè÷åëëè, æèâøåì äî Áåðíóëëè. Ñðàçó áðîñàåòñÿ â ãëàçà, ÷òî ñêîðîñòü èñòå÷åíèÿ æèäêîñòè èç ñîñóäà òàêàÿ æå, êàê è ïðè åå ñâîáîäíîì ïàäåíèè ñ âûñîòû H.  ýòîì íåò íè÷åãî óäèâèòåëüíîãî, ïîñêîëüêó âÿçêîñòüþ ìû ïðåíåáðåãëè, à ðàáîòà ñèë àòìîñôåðíîãî äàâëåíèÿ íàä òðóáêîé òîêà ðàâíà íóëþ. Ïîýòîìó, êàê è ïðè ñâîáîäíîì ïàäåíèè òåë â îòñóòñòâèå ñîïðîòèâëåíèÿ âîçäóõà, ïðè ðàùåíèå êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè ðàâíî ðàáîòå ñèëû òÿæåñòè:
Ñïðàâåäëèâîñòü ôîðìóëû Òîðè÷åëëè ìîæíî ëåãêî ïðîâåðèòü, åñëè íà âûõîäíóþ òðóáêó íàäåòü êóñîê ãèáêîãî øëàíãà è âûòåêàþùóþ ñòðóþ âîäû íàïðàâèòü ââåðõ ïîä íåáîëüøèì íàêëîíîì ê âåðòèêàëè (ðèñ. 3.7). Ñòðóÿ ïîäíèìåòñÿ ïðàêòè÷åñêè äî óðîâíÿ ïîâåðõíîñòè æèäêîñòè. Åñëè æå ñòðóþ íàïðàâèòü âåðòèêàëüíî ââåðõ, òî âçëåòàþùèå ââåðõ ÷àñòèöû æèäêîñòè, âçàèìîäåéñòâóÿ ñ ïàäàþùèìè âíèç ÷àñòèöàìè, íå ñìîãóò ïîäíÿòüñÿ íà âûñîòó H.
| Ðèñ. 3.7. |
Èíòåðåñíî îòìåòèòü, ÷òî òðóáêè òîêà æèäêîñòè ðàñïîëîæåíû ïðåèìóùåñòâåííî áëèæå ê ñòåíêå ñîñóäà ñ îòâåðñòèåì, â òî âðåìÿ êàê ó ïðîòèâîïîëîæíîé (ëåâîé íà ðèñ. 3.8) ñòåíêè æèäêîñòü ïðàêòè÷åñêè ìàëîïîäâèæíà. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî íà ëåâóþ ñòåíêó äåéñòâóþò ñèëû äàâëåíèÿ, êîòîðîå ëåãêî ïîñ÷èòàòü, èñïîëüçóÿ ëèíåéíûé çàêîí íàðàñòàíèÿ ãèäðîñòàòè÷åñêîãî äàâëåíèÿ ñ ãëóáèíîé, äàâàåìîé ôîðìóëîé (2.11). Ðàñ÷åò ñèë äàâëåíèÿ, äåéñòâóþùèõ íà ïðàâóþ ñòåíêó, òðåáóåò ãèäðîäèíàìè÷åñêîãî ðåøåíèÿ çàäà÷è. Îäíàêî è áåç òàêîãî ðàñ÷åòà ÿñíî, ÷òî â òðóáêå òîêà, ïðèìûêàþùåé ê ïðàâîé ñòåíêå, äàâëåíèå íà êàæäîé ãëóáèíå áóäåò ìåíüøå ñîîòâåòñòâóþùåãî ýòîé ãëóáèíå ãèäðîñòàòè÷åñêîãî äàâëåíèÿ. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ðàâíîäåéñòâóþùàÿ ñèë äàâëåíèÿ, äåéñòâóþùèõ íà îáå ñòåíêè, íàïðàâëåíà â ñòîðîíó, ïðîòèâîïîëîæíóþ íàïðàâëåíèþ èñòå÷åíèÿ æèäêîñòè. Ïîä äåéñòâèåì ýòîé ñèëû, íàçûâàåìîé òàêæå ðåàêòèâíîé, ñîñóä, ïîñòàâëåííûé íà êîëåñà, ìîæåò ïðèäòè â äâèæåíèå. Âåëè÷èíó ýòîé ñèëû ëåãêî ïîñ÷èòàòü ñ èñïîëüçîâàíèåì ôîðìóëû Òîðè÷åëëè. Ïî 3-ìó çàêîíó Íüþòîíà èñêîìàÿ ðåàêòèâíàÿ ñèëà ðàâíà ïî âåëè÷èíå ñèëå, ñ êîòîðîé ñòåíêè ñîñóäà äåéñòâóþò íà âîäó, ñîîáùàÿ åå (ïî 2-ìó çàêîíó Íüþòîíà) ïðèðàùåíèå èìïóëüñà â íàïðàâëåíèè èñòå÷åíèÿ. Ïîñêîëüêó ìàññà, âûòåêàþùàÿ ÷åðåç îòâåðñòèå ñ ñå÷åíèåì S ðàâíà , òî èçìåíåíèå èìïóëüñà â åäèíèöó âðåìåíè ñîñòàâèò âåëè÷èíó Ïîýòîìó ðåàêòèâíàÿ ñèëà
| (3.19) |
| Ðèñ. 3.8. |
Îòìåòèì, ÷òî åñëè áû ìû îøèáî÷íî ïðèíÿëè, ÷òî ðàñïðåäåëåíèå äàâëåíèé ñ ãëóáèíîé ó ïðàâîé ñòåíêè áûëî òàêîå æå, êàê ó ëåâîé, òî ðåàêòèâíàÿ ñèëà ïîëó÷èëàñü áû âäâîå ìåíüøåé:
| (3.20) |
ãäå – âåëè÷èíà ãèäðîñòàòè÷åñêîãî äàâëåíèÿ íà ãëóáèíå H, S – ïëîùàäü îòâåðñòèÿ â ïðàâîé ñòåíêå.
Îäíàêî ìîæíî äîáèòüñÿ îäèíàêîâîãî (ãèäðîñòàòè÷åñêîãî) ðàñïðåäåëåíèÿ äàâëåíèé ó îáåèõ ñòåíîê, åñëè êîíåö òðóáêè ñ îñòðîé êðîìêîé áóäåò îòñòîÿòü îò ïðàâîé ñòåíêè, êàê ïîêàçàíî íà ðèñ. 3.9.  ýòîì ñëó÷àå ðåàêòèâíàÿ ñèëà ìîæåò îïðåäåëÿòüñÿ ñ ïîìîùüþ ôîðìóëû (3.20). Åñëè æå åå âû÷èñëÿòü ïðè ïîìîùè (3.19), òî â ýòîé ôîðìóëå íàäî âìåñòî ñå÷åíèÿ òðóáêè S ïîäñòàâèòü ñå÷åíèå ñòðóè âîäû â òðóáêå SB=kS, ãäå êîýôôèöèåíò èñòå÷åíèÿ k1/2. Ïðè òàêîì èñòå÷åíèè òðóáêà áóäåò çàïîëíåíà æèäêîñòüþ ïðèáëèçèòåëüíî íàïîëîâèíó.
| Ðèñ. 3.9. |
Ðåàêòèâíóþ ñèëó ìîæíî óâåëè÷èòü, åñëè ïðåæäå âñåãî ïîâûñèòü ñêîðîñòü èñòå÷åíèÿ æèäêîñòè. Äëÿ ýòîãî ñëåäóåò èñïîëüçîâàòü çàìêíóòûé ñîñóä ñ îòâåðñòèåì, ïðè ýòîì íàä ñâîáîäíîé ïîâåðõíîñòüþ æèäêîñòè ñîçäàåòñÿ äàâëåíèå p1>p0. Òîãäà ñêîðîñòü èñòå÷åíèÿ æèäêîñòè èç óðàâíåíèÿ Áåðíóëëè ïîëó÷àåòñÿ ðàâíîé:
| (3.21) |
à ðåàêòèâíàÿ ñèëà âîçðàñòàåò ëèíåéíî ñ ïîâûøåíèåì èçáûòî÷íîãî äàâëåíèÿ íàä ñâîáîäíîé ïîâåðõíîñòüþ æèäêîñòè.
Ãèäðîðåçàíèå.
Åñëè ñîçäàòü î÷åíü âûñîêîå èçáûòî÷íîå äàâëåíèå, íàïðèìåð, 5000 àòì = 5*10 Í/ì2, òî ñêîðîñòü èñòå÷åíèÿ âîäû v = 1000 ì/ñ. Åñëè òàêóþ ñòðóþ íàïðàâèòü íà êàêîé-ëèáî òâåðäûé ìàòåðèàë, òî åãî ïîâåðõíîñòü áóäåò ïîäâåðæåíà ãèäðîäèíàìè÷åñêîìó äàâëåíèþ Òàêîå
îãðîìíîå äàâëåíèå â ðÿäå ñëó÷àåâ ìîæåò ïðåâîñõîäèòü ïðåäåë ïðî÷íîñòè íåêîòîðûõ ìàòåðèàëîâ, è ïîñëåäíèå áóäóò ðàçðóøàòüñÿ ïîä äåéñòâèåì ñòðóè. Ñî âòîðîé ïîëîâèíû 80-õ ãîäîâ ïîëó÷èëî ðàçâèòèå íîâîå íàïðàâëåíèå â îáðàáîòêå ìàòåðèàëîâ – ãèäðîðåçàíèå.  ýòîé òåõíîëîãèè âîäÿíîé íîæ – âûñîêî-ñêîðîñòíàÿ ñòðóÿ âîäû ñ äèàìåòðîì èãëû – ëåãêî ðåæåò ìàòåðèàëû òîëùèíîé â íåñêîëüêî ñàíòèìåòðîâ ñî ñêîðîñòüþ ðåçàíèÿ íåñêîëüêî äåñÿòêîâ ñàíòèìåòðîâ â ìèíóòó. Äëÿ ðåçêè ìåòàëëîâ, òâåðäûõ ñïëàâîâ, áåòîíà è äðóãèõ ìàòåðèàëîâ â ñòðóþ äîáàâëÿþò àáðàçèâíûé ïîðîøîê. Ýòî ïîçâîëÿåò çíà÷èòåëüíî óâåëè÷èòü ãèäðîäèíàìè÷åñêîå äàâëåíèå è ïîâûñèòü ïðîèçâîäèòåëüíîñòü è âîçìîæíîñòè ãèäðîðåçàíèÿ.
Ñîñóä Ìàðèîòòà.
Âåñüìà ïîó÷èòåëüíûì äëÿ ïîíèìàíèÿ äâèæåíèÿ æèäêîñòè ÿâëÿåòñÿ èñòå÷åíèå æèäêîñòè èç ñîñóäà Ìàðèîòòà. Îí ïîçâîëÿåò îáåñïå÷èòü ïîñòîÿííóþ ñêîðîñòü âûòåêàíèÿ æèäêîñòè èç ñîñóäà, íåñìîòðÿ íà ïîíèæåíèÿ åå óðîâíÿ. Äëÿ ýòîãî â ñîñóä ÷åðåç ãåðìåòè÷íóþ ïðîáêó â åãî ãîðëîâèíó ââîäèòñÿ òðóáî÷êà, ñîîáùàþùàÿñÿ ñ àòìîñôåðîé (ðèñ. 3.10). Ñêîðîñòü âûòåêàíèÿ îïðåäåëÿåòñÿ ïî ôîðìóëå Òîðè÷åëëè , ãäå h – âûñîòà íèæíåãî êîíöà òðóáêè íàä îòâåðñòèåì. Ýòî ïðîèñõîäèò ïîòîìó, ÷òî ïðè íåçíà÷èòåëüíîì èñòå÷åíèè æèäêîñòè èç ïîëíîñòüþ çàïîëíåííîãî ñîñóäà äàâëåíèå ïîä ïðîáêîé áóäåò ìåíüøå àòìîñôåðíîãî, à äàâëåíèå â ãîðèçîíòàëüíîé ïëîñêîñòè, ñîâïàäàþùåé è íèæíèì êîíöîì òðóáêè, ðàâíî àòìîñôåðíîìó. Ñêîðîñòü âûòåêàíèÿ ëåãêî ðåãóëèðóåòñÿ âåðòèêàëüíûì ïåðåìåùåíèåì òðóáêè. Åñëè êîíåö òðóáêè íàõîäèòñÿ íà óðîâíå h=0 èëè íèæå îòâåðñòèÿ, òî æèäêîñòü íå âûòåêàåò âîâñå.
| Ðèñ. 3.10. |
Óñëîâèå íåñæèìàåìîñòè äâèæóùåéñÿ æèäêîñòè.
Ðàâåíñòâî (3.2), ÿâëÿþùååñÿ óñëîâèåì íåñæèìàåìîñòè, ñâÿçûâàåò ñêîðîñòè äâèæóùåéñÿ æèäêîñòè â äâóõ ðàçëè÷íûõ ñå÷åíèÿõ. Ìåæäó òåì, êàê íà ýòî íåîäíîêðàòíî îáðàùàëîñü âíèìàíèå â ïðåäûäóùèõ ëåêöèÿõ, â ôèçèêå âàæíî îïåðèðîâàòü ñ ðàâåíñòâàìè èëè óðàâíåíèÿìè, îòíåñåííûìè ê îäíîé òî÷êå ïðîñòðàíñòâà.
Äëÿ ýòîãî ðàññìîòðèì äåôîðìàöèþ äâèæóùåãîñÿ êóáè÷åñêîãî ýëåìåíòà æèäêîñòè. Åñëè åãî îáúåì ÷åðåç ìàëûé îòðåçîê âðåìåíè íå èçìåíÿåòñÿ, òî ñóììà äèàãîíàëüíûõ ýëåìåíòîâ òåíçîðà äåôîðìàöèè ðàâíà íóëþ, ò.å.
Çäåñü ux, uy è uz- ñìåùåíèÿ ãðàíåé êóáèêà â íàïðàâëåíèè ñîîòâåòñòâóþùèõ îñåé êîîðäèíàò. Îäíàêî ýòè ñìåùåíèÿ ñâÿçàíû ñî ñêîðîñòÿìè äâèæåíèÿ ãðàíåé (à òî÷íåå, ÷àñòèö æèäêîñòè, íàõîäÿùèõñÿ â äàííûé ìîìåíò íà ýòèõ ãðàíÿõ):
Ïîäñòàâëÿÿ ýòè ðàâåíñòâà â (3.22), ïîëó÷àåì ëîêàëüíîå (îòíîñÿùååñÿ ê îäíîé òî÷êå ïðîñòðàíñòâà) óñëîâèå íåñæèìàåìîñòè â âèäå
| (3.22) |
 ôèçèêå äëÿ îïèñàíèÿ âåêòîðíûõ ïîëåé, à â íàøåì ñëó÷àå ðå÷ü èäåò î âåêòîðíîì ïîëå ñêîðîñòåé v=v(x,y,z,t), èñïîëüçóåòñÿ ïîíÿòèå äèâåðãåíöèè (èñòîêà) ïîëÿ â äàííîé òî÷êå ïðîñòðàíñòâà.  äåêàðòîâîé ñèñòåìå êîîðäèíàò âûðàæåíèå äëÿ div v èìååò âèä:
| (3.23) |
Äèâåðãåíöèÿ âåêòîðà ÿâëÿåòñÿ ñêàëÿðíîé ôóíêöèåé êîîðäèíàò è âðåìåíè è ëåãêî ðàññ÷èòûâàåòñÿ, åñëè èçâåñòíû êîìïîíåíòû âåêòîðíîãî ïîëÿ (â íàøåì ñëó÷àå vx, vy è vz). Ïîýòîìó óñëîâèå (3.22) ïîñòîÿíñòâà îáúåìà íåñæèìàåìîé æèäêîñòè çàïèñûâàåòñÿ êðàòêî:
| (3.24) |
Îòìåòèì, ÷òî óðàâíåíèå (3.24) ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç îñíîâíûõ óðàâíåíèé ãèäðîäèíàìèêè íåñæèìàåìîé æèäêîñòè.
Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî èìååòñÿ ìíîæåñòâî âåêòîðíûõ ïîëåé, êàê, íàïðèìåð, ýëåêòðè÷åñêîå E=E(x,y,z,t) è ìàãíèòíîå B=B(x,y,z,t) ïîëÿ è äð., ïðè îïèñàíèè êîòîðûõ òàêæå øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ ïîíÿòèå äèâåðãåíöèè: div E èëè div B è ò.ä. Õîòÿ îíà îïðåäåëÿåòñÿ â ñîîòâåòñòâèè ñ (3.23), ââîäèòñÿ, îäíàêî, íåñêîëüêî èç äðóãèõ ñîîáðàæåíèé, ïîñêîëüêó â ýëåêòðîäèíàìèêå íå èäåò ðå÷ü î äâèæåíèè è äåôîðìàöèè ýëåìåíòà ìàòåðèàëüíîé ñðåäû.
Íà ïðèìåðå âåêòîðíîãî ïîëÿ ñêîðîñòåé v=v(x,y,z,t) ïîÿñíèì ôóíäàìåíòàëüíûé ñìûñë ïîíÿòèÿ äèâåðãåíöèè.
Äëÿ ýòîãî ðàññìîòðèì íåïîäâèæíûé ýëåìåíòàðíûé îáúåì ïðîñòðàíñòâà. dV=dxdydx è ïîñ÷èòàåì îáúåì æèäêîñòè, âòåêàþùèé è âûòåêàþùèé èç ýòîãî îáúåìà çà åäèíèöó âðåìåíè.
Ââåäåì ïîíÿòèå ýëåìåíòàðíîãî ïîòîêà âåêòîðà ñêîðîñòè v ÷åðåç ìàëåíüêóþ ïëîùàäêó dS:
| (3.25) |
ãäå dS=ndS – âåêòîð, íàïðàâëåííûé ïî íîðìàëè n ê ýëåìåíòàðíîé ïëîùàäêå. ßñíî, ÷òî ïîòîê (3.25) ðàâåí îáúåìó æèäêîñòè, ïåðåñåêàþùåé ïëîùàäêó dS çà åäèíèöó âðåìåíè (ðèñ. 3.12). Îí äîïóñêàåò òàêæå íàãëÿäíóþ ãåîìåòðè÷åñêóþ èíòåðïðåòàöèþ.  ñàìîì äåëå, â ñîîòâåòñòâèè ñ îïðåäåëåíèåì ëèíèé òîêà, äàííûì â íà÷àëå ýòîé ëåêöèè, èõ ãóñòîòà õàðàêòåðèçóåò ñêîðîñòü òå÷åíèÿ. Ïîýòîìó âåëè÷èíå ñêîðîñòè âñåãäà ìîæíî ïîñòàâèòü â ñîîòâåòñòâèå êîëè÷åñòâî ëèíèé òîêà, ïåðåñåêàþùèõ ïëîùàäêó ñ dS=1 è n || v. Òîãäà ïîòîê dNv â (3.25) áóäåò õàðàêòåðèçîâàòüñÿ ÷èñëîì ëèíèé, ïåðåñåêàþùèõ ïëîùàäêó ïðè åå ïðîèçâîëüíîé îðèåíòàöèè.
| Ðèñ. 3.12. |
Òåïåðü ëåãêî ïîñ÷èòàòü áàëàíñ ìåæäó âòåêàþùåé è âûòåêàþùåé æèäêîñòüþ äëÿ ýëåìåíòàðíîãî îáúåìà, èçîáðàæåííîãî íà ðèñ. 3.12. Äëÿ ýòîãî âîññòàíîâèì âíåøíèå íîðìàëè ïî âñåì 6-òè ãðàíÿì êóáèêà è ïîñ÷èòàåì ïîòîêè æèäêîñòè ÷åðåç åãî ãðàíè. Ëåãêî ïîíÿòü, ÷òî ïîëîæèòåëüíîå çíà÷åíèå ïîòîêà áóäåò äëÿ âûòåêàþùåé æèäêîñòè, à îòðèöàòåëüíîå – äëÿ âòåêàþùåé. Åñëè ñêîðîñòü â öåíòðå êóáèêà v(x,y,z) èçìåíÿåòñÿ ïðè ïðèáëèæåíèè ê ñîîòâåòñòâóþùèì ãðàíÿì, òî ïðè âû÷èñëåíèè òàêîãî ïîòîêà ýòî íåîáõîäèìî ó÷åñòü. Ðåçóëüòèðóþùèé ïîòîê îïðåäåëèòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì:
| (3.26) |
Ðàçäåëèâ ëåâóþ è ïðàâóþ ÷àñòè (3.26) íà dxdydz è ïåðåõîäÿ ê ïðåäåëó, ïîëó÷àåì
| (3.27) |
Òàêèì îáðàçîì, äèâåðãåíöèÿ âåêòîðà ñêîðîñòè ÷èñëåííî ðàâíà ïîòîêó æèäêîñòè ÷åðåç ïîâåðõíîñòü åäèíè÷íîãî îáúåìà. Åñëè æèäêîñòü íåñæèìàåìà, òî, åñòåñòâåííî, ýòîò ïîòîê äîëæåí áûòü ðàâåí íóëþ. Ãðàôè÷åñêè ïîñëåäíåå èíòåðïðåòèðóåòñÿ êàê ðàâåíñòâî êîëè÷åñòâà âõîäÿùèõ è âûõîäÿùèõ ëèíèé òîêà äëÿ ýòîãî îáúåìà. Ýòî, â ñâîþ î÷åðåäü, îçíà÷àåò, ÷òî â îêðåñòíîñòè òî÷êè, ãäå div v=0, ëèíèè òîêà íå ïðåðûâàþòñÿ. Ïîýòîìó ðàâåíñòâî div v=0 íàçûâàþò óñëîâèåì íåðàçðûâíîñòè.
Èç øêîëüíîãî êóðñà ôèçèêè èçâåñòíî, ÷òî ñèëîâûå ëèíèè ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî ïîëÿ (àíàëîã ëèíèé òîêà) ïðåðûâàþòñÿ òîëüêî íà çàðÿäàõ. Ïîýòîìó äëÿ îáëàñòåé, íå çàíÿòûõ çàðÿäàìè, ìû òàêæå âïðàâå íàïèñàòü . Ñèëîâûå ëèíèè èíäóêöèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ B âñåãäà çàìêíóòû, ïîýòîìó âî âñåõ ñëó÷àÿõ div B=0.
Íàçàä | Âïåðåä
Ïîñìîòðåòü êîììåíòàðèè[3]
Источник