- •Механика
- •Механика
- •Оглавление
- •Предисловие
- •Введение
- •Глава 1. Кинематика
- •Механическое движение
- •1.2. Некоторые сведения о векторах
- •1.3. Скорость
- •1.4. Ускорение
- •1.5. Угловая скорость и угловое ускорение
- •Глава 2. Динамика материальной точки
- •2.1. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета
- •2.2. Второй закон Ньютона
- •2.3. Третий закон Ньютона
- •2.4. Сила. Силы трения
- •2.5. Импульс. Закон сохранения импульса
- •2.6. Центр масс. Движение тела переменной массы
- •Глава 3. Работа и энергия
- •3.1. Понятие о работе и энергии. Мощность. Консервативные
- •Кинетическая энергия
- •Потенциальная энергия
- •Закон сохранения механической энергии
- •Графическое представление энергии.
- •3.6. Применение законов сохранения энергии и импульса
- •Используя (3.32), получаем
- •Движение в центральном поле сил
- •Глава 4. Механика твердого тела
- •4.1. Движение твердого тела
- •4.2. Момент силы
- •4.3. Центр масс твердого тела и его движение
- •4.4. Момент импульса и закон его сохранения
- •4.5. Основное уравнение динамики вращательного движения
- •4.6. Момент инерции
- •4.7. Кинетическая энергия твердого тела
- •4.7.1. Вращение тела вокруг неподвижной оси
- •4.7.2. Работа внешних сил при вращении твердого тела
- •4.7.3. Кинетическая энергия тела при плоском движении
- •Глава 5. Тяготение. Неинерциальные системы
- •5.1. Развитие представлений о природе тяготения
- •5.2. Законы Кеплера. Закон всемирного тяготения
- •5.3. Гравитационное поле и его характеристики
- •5.4. Сила тяжести и вес. Невесомость
- •5.5. Космические скорости
- •5.6. Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции
- •5.6.1. Силы инерции при ускоренном поступательном
- •5.6.2. Центробежная сила инерции
- •5.6.3. Сила Кориолиса
- •Глава 6. Элементы механики сплошных сред
- •6.1. Гидроаэростатика
- •6.1.1. Давление
- •6.1.2. Распределение давления в покоящихся жидкости и газе
- •6.1.3. Выталкивающая сила
- •6.2. Гидроаэродинамика
- •6.2.1. Линии и трубки тока. Неразрывность струи
- •6.2.2. Уравнение Бернулли
- •6.2.3. Измерение давления в текущей жидкости
- •6.2.4. Применение к движению жидкости закона сохранения
- •6.2.5. Силы внутреннего трения
- •6.2.6. Ламинарное и турбулентное течение
- •6.2.7. Движение тел в жидкостях и газах
- •6.2.8. Подъемная сила
- •Глава 7. Элементы специальной теории
- •7.1. Принцип относительности Галилея.
- •7.2. Постулаты специальной теории относительности
- •7.3. Преобразования Лоренца
- •7.4. Следствия из преобразований Лоренца
- •7.4.1. Одновременность событий в разных системах отсчета
- •7.4.2. Длительность событий в разных системах отсчета
- •7.4.3. Длина тел в разных системах отсчета
- •7.4.4. Релятивистский закон сложения скоростей
- •7.5. Интервал между событиями
- •7.6. Релятивистская динамика. Релятивистский импульс
- •7.7. Закон взаимосвязи массы и энергии
- •7.7.1. Кинетическая энергия релятивистской частицы
- •7.7.2. Закон взаимосвязи массы и энергии
- •7.7.3. Связь между энергией и импульсом частицы
- •Глава 8. Свободные гармонические колебания
- •8.1. Гармонические колебания и их характеристика
- •8.2. Механические гармонические колебания
- •8.3. Гармонический осциллятор. Пружинный, математический
- •8.4. Графическое изображение гармонических колебаний.
- •8.5. Сложение колебаний одинакового направления
- •8.6. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний
- •Глава 9. Свободные Затухающие колебания
- •9.1. Дифференциальное уравнение свободных затухающих
- •9.2. Основные характеристики затухающих колебаний
- •Глава 10. Вынужденные колебания
- •10.1. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний
- •10.2. Решение дифференциального уравнения вынужденных
- •10.3. Резонанс. Примеры резонансных явлений
- •Глава 11. Волны в упругой среде
- •11.1. Упругие волны
- •11.2. Уравнение плоской и сферической волн
- •11.3. Уравнение плоской волны, распространяющейся
- •11.4. Волновое уравнение
- •11.5. Скорость распространения упругих волн
- •11.6. Энергия упругой волны
- •11.6.1. Плотность энергии упругой волны
- •11.6.2. Плотность потока энергии
- •11.7. Стоячие волны
- •11.7.1. Уравнение стоячей волны
- •11.7.2. Энергия стоячей волны
- •11.8. Эффект Доплера для звуковых волн
- •Литература
- •Механика
- •302020, Г. Орел, Наугорское шоссе, 29.
6.2.2. Уравнение Бернулли
Рассматривая движение жидкостей, во многих случаях можно считать, что перемещение одних частей жидкости относительно других не связано с возникновением сил трения. Жидкость, в которой внутреннее трение (вязкость) полностью отсутствует, называется идеальной.
Выделим в стационарно текущей идеальной жидкости трубку тока малого сечения (рис. 6.9). Рассмотрим объем жидкости, ограниченный стенками трубки тока и перпендикулярными к линиям тока сечениями S1 и S2. За время ∆t этот объем переместится вдоль трубки тока, причем сечение S1 переместится в положение S1', пройдя путь , сечение S2 переместится в положение S2', пройдя путь.
Рис. 6.9. Движение стационарно текущей идеальной жидкости
В силу неразрывности струи заштрихованные объемы будут иметь одинаковую величину:
∆V1=∆V2=∆V.
Энергия каждой частицы жидкости складывается из кинетической энергии и потенциальной энергии в поле сил земного тяготения. Вследствие стационарности течения частица, находящаяся спустя время ∆t в любой из точек незаштрихованной части рассматриваемого объема (см., например, точку О на рис. 6.9), имеет такую же скорость (а, следовательно, и кинетическую энергию), какую имела частица, находившаяся в той же точке в начальный момент времени. Поэтому приращение энергии ∆Е всего рассматриваемого объема можно вычислить как разность энергий заштрихованных объемов ∆V1 и ∆V2.
Возьмем сечение трубки тока и отрезки настолько малыми, чтобы всем точкам каждого из заштрихованных объемов можно было приписать одно и то же значение скорости , давления р и высоты h. Тогда приращение энергии запишется следующим образом:
(6.11)
В идеальной жидкости силы трения отсутствуют. Поэтому приращение энергии должно равняться работе, совершаемой над выделенным объемом силами давления. Силы давления на боковую поверхность перпендикулярны в каждой точке к направлению перемещения частиц, к которым они приложены, вследствие чего работы не совершают. Отлична от нуля лишь работа сил, приложенных к сечениям S1 и S2. Эта работа равна
(6.12)
Приравнивая выражения (6.11) и (6.12), сокращая на ∆V и перенося члены с одинаковыми индексами в одну часть равенства, получим:
(6.13)
Сечения S1 и S2 были взяты совершенно произвольно. Поэтому можно утверждать, что в любом сечении трубки тока выражение имеет одинаковое значение. В соответствии со сделанными нами при его выводе предположениями уравнение (6.13) становится вполне точным лишь при стремлении поперечного сечения S к нулю, т.е. при стягивании трубки тока в линию. Таким образом, величины , фигурирующие в левой и правой частях уравнения (6.13), следует рассматривать как относящиеся к двум произвольным точкам одной и той же линии тока.
Полученный нами результат можно сформулировать следующим образом: в стационарно текущей идеальной жидкости вдоль любой линии тока выполняется условие
=const. (6.14)
Уравнение (6.14) или равнозначное ему уравнение (6.13) называется уравнением Бернулли. Как видно из вывода, уравнение Бернулли − выражение закона сохранения энергии применительно к установившемуся течению идеальной жидкости. Несмотря на то, что это уравнение было получено нами для идеальной жидкости, оно достаточно хорошо выполняется для реальных жидкостей, внутреннее трение в которых не очень велико.
Рассмотрим некоторые следствия, вытекающие из уравнения Бернулли.
1. Пусть жидкость течет так, что скорость имеет во всех точках одинаковую величину. Тогда согласно (6.14) для двух произвольных точек любой линии тока будет выполняться равенство:
,
откуда следует, что распределение давления в этом случае будет таким же, как в покоящейся жидкости.
2. Для горизонтальной линии тока (h1=h2) условие (6.14) принимает вид:
,
т.е. давление оказывается меньшим в тех точках, где скорость больше.
Уменьшение давления в точках, где скорость потока больше, положено в основу устройства водоструйного насоса (рис. 6.10)
Рис. 6.10. Водоструйный насос
Струя воды подается в трубку, открывающуюся в атмосферу, так что на выходе из трубки давление равно атмосферному. В трубке имеется сужение, по которому вода идет с большей скоростью, вследствие чего давление в этом месте оказывается меньше атмосферного. Такое же давление устанавливается и в охватывающей трубку камере насоса, которая сообщается с трубкой через разрыв, имеющийся в узкой части трубки. Подсоединяя к камере насоса откачиваемый объем, из него можно откачать воздух (или какой-либо другой газ) до давления порядка 100 мм рт. ст. Откачиваемый воздух захватывается струей воды и уносится в атмосферу.
3. Применим уравнение Бернулли к случаю истечения жидкости из небольшого отверстия в широком открытом сосуде. Выделим в жидкости трубку тока, имеющую своим сечением с одной стороны открытую поверхность жидкости в сосуде, а с другой стороны — отверстие, через которое жидкость вытекает (рис. 6.11).
Рис. 6.11. Истечение жидкости из отверстия
В каждом из этих сечений скорость и высоту над некоторым исходным уровнем можно считать одинаковыми, вследствие чего к ним можно применить уравнение (6.13), полученное при этом предположении. Далее, давления в обоих сечениях равны атмосферному и поэтому одинаковы. Кроме того, скорость перемещения открытой поверхности в широком сосуде можно положить равной нулю. С учетом всего сказанного, уравнение (6.13) применительно к данному случаю можно написать в виде
,
где скорость истечения из отверстия. Сокращая на и введя — высоту открытой поверхности жидкости над отверстием, получаем:
. (6.15)
Эта формула называется формулой Торричелли.
Итак, скорость истечения жидкости из отверстия, расположенного на глубине под открытой поверхностью, совпадает со скоростью, которую приобретает любое тело, падая с высоты . Следует помнить, что этот результат получен в предположении, что жидкость идеальна. Для реальных жидкостей скорость истечения будет меньше, причем тем сильнее отличается от значения (6.15), чем больше вязкость жидкости.