7.16.Движение тел в жидкостях и газах

При движении тела в жидкости или газе на него действуют силы, равнодействующую которых мы обозначим буквойR(рис.7.19). СилуRможно разложить на две составляющие, одна из которыхR_xнаправлена в сторону, противоположную движению тела (или в сторону движения потока, набегающего на тело), а втораяR_yперпен­дикулярна этому направлению. СоставляющиеR_xиR_y называются соответственно лобовым сопротивлением и подъемной силой.

Если тело симметрично и его ось симметрии совпадает с направлением скорости, то на него действует только лобовое сопротивление, подъемная же сила в этом случае равна нулю. Если рассмотреть движение цилиндра в такой жидкости (рис. 7.20), то картина линий тока симметрична как относительно прямой, проходящий через точки АиВ, так и относительно прямой, проходящей через точкиСиD, т.е. результирующая сила давления на поверхность цилиндра будет равна нулю.

Иначе обстоит дело при движении тел в вязкой жидкости. Вследствие вязкости среды в области, прилегающей к поверхности тела, образуется пограничный слой частиц, движущихся с меньшими скоростями. В результате тормозящего действия этого слоя возникает вращение частиц, и движение жидкости в пограничном слое ста­новит­ся вихре­вым. Если тело не имеет обте­каемой формы, то пограничный слой жидкости отрывается от поверхности тела. За телом возникает течение жидкости (газа), направленное противоположно набегающему потоку. Оторвавшийся по­граничный слой, следуя за этим течением, образует вихри, вращающиеся в противоположные стороны (рис. 7.21).

Лобовое сопротивление зависит от формы тела и его положения относительно потока, что учитывается безразмерным коэффициентом сопро­тив­ленияС_х, определяемым экспериментально.

, (7.61)

где– плотность среды;v– скорость движения тела;S– наибольшее поперечное сечение тела.

Составляющую R_хможно значительно уменьшить, подобрав тело такой формы, которая не способствует образованию завихрения.

Подъемная сила может быть определена формулой, аналогичной (7.59):

,

где С_y– безразмерный коэффициент подъемной силы.

Для крыла самолета требуется большая подъемная сила при малом лобовом сопротивлении. Это условие выполняется при малых углах атаки(угол к потоку).

Вопросы для самоконтроля

1. В чем состоит статистический метод изучения свойств макроскопических систем?

2. В чем состоит термодинамический метод изучения свойств макроскопических систем?

3. Сформулируйте основные положения молекулярно-кинетической теории и приведите опытные доказательства, подтверждающие справедливость этих положений.

4. В каких агрегатных состояниях и при каких условиях может существовать любое вещество?

5. Какое состояние вещества называется газообразным?

6. Какой газ называется идеальным?

7. Сколько параметров характеризует состояние данной массы газа? Какие именно?

8. Что называется давлением? В каких единицах измеряется давление в системе СИ?

9. Что называется объемом?

10. Что называется температурой газа? Как вводится абсолютная температура?

11. Как вводится понятие абсолютного нуля?

12. Запишите математически и сформулируйте основное уравнение молекулярно-кинетической теории.

13. Сформулируйте законы Авогадро.

14. Что такое число Авогадро?

15. Как, зная число Авогадро, найти массу молекулы и атома какого-либо вещества?

16. Запишите уравнение Менделеева - Клапейрона.

17. Что означает отношение ?

18. Какая величина называется универсальной газовой постоянной, постоянной Больцмана?

19. Запишите зависимость давления от концентрации газа.

20. Сформулировать закон Дальтона для смеси газов.

21. Какой процесс называется изохорическим, изобарическим, изотермическим?

22. Какому закону подчиняются изохорический, изобарический изотермический процессы? Сформулируйте эти законы.

23. Как графически изображаются в координатах (p,V), (p,T), (V,T), (p, t) и (v, t) изохорический, изобарический изотермический процессы? ЗдесьТ– абсолютная температура,t– температура по шкале Цельсия.

24. Изобразите графически распределение молекул по скоростям (закон Максвелла). Дайте пояснения.

25. Чему равна площадь под кривой распределения молекул по скоростям?

26. Какая скорость называется средней квадратичной, наиболее вероятной? Какими формулами выражаются эти скорости?

27. Как изменится кривая распределения молекул по скоростям, если температура газа увеличится, уменьшится?

28. В чем состоит опыт Штерна?

29. Что отражает барометрическая формула?

30. Как изменяется концентрация молекул с высотой в поле тяготения?

31. Изобразите графически зависимость концентрации молекул от высоты в поле тяготения.

32. Как изменяется концентрация молекул в поле тяготения при повышении температуры, при Тпри понижении температуры, приТ0? Поясните результаты.

33. Что называется средней длиной свободного пробега молекулы?

34. Что понимают под эффективным диаметром молекулы?

35. Приведите формулу для расчета средней длины свободного пробега молекулы. Дайте пояснения.

36. Какие явления называются явлениями переноса? Какова их природа?

37. Дайте понятие градиента физической величины. Приведите примеры.

38. Запишите общее уравнение явлений переноса. Дайте пояснения.

39. В чем состоит явление диффузии? Привести примеры.

40. Запишите уравнение Фика для диффузии. Дайте пояснения.

41. Каково физическое содержание коэффициента диффузии и его размерность?

42. В чем состоит явление теплопроводности? Приведите примеры.

43. Запишите уравнение Фурье для теплопроводности. Дайте пояснения.

44. Каково физическое содержание коэффициента теплопроводности и какова его размерность?

45. В чем состоит явление вязкости (внутреннего трения)? Привести примеры.

46. Запишите уравнение внутреннего трения. Дайте пояснения.

47. Каково физическое содержание коэффициента вязкости и его размерность?

48. В чем состоит отличие реальных газов от идеальных?

49. Для чего введены Ван-дер-Ваальсом первая и вторая поправки к уравнению Бойля – Мариотта?

50. Что характеризуют и чему равны первая и вторая поправки Ван-дер-Ваальса?

51. Написать уравнение Ван-дер-Ваальса для одного кило моля и для любого количества вещества.

52. Как выглядит изотерма Ван-дер-Ваальса? В чем ее отличие от изотермы Бойля – Мариотта?

53. Как выглядит изотерма Ван-дер-Ваальса при Т=Т_к(критической температуре)?

54. Какая температура называется критической?

55. Каковы условия сжижения газов?

56. Изобразите опытные изотермы реальных газов. В чем их отличие от изотерм Ван-дер-Ваальса?

57. Опишите состояние вещества на различных участках опытных изотерм.

58. Чем отличаются опытные изотермы от изотерм Бойля – Мариотта? Дайте пояснения.

59. Чем объясняются волнообразные участки на изотермах Ван-дер-Ваальса? Можно ли получить на практике состояния, соответствующие этим участкам кривых?

60. Из чего состоит внутренняя энергия реального газа?

61. Напишите формулу для расчета внутренней энергии реального газа.

62. В чем состоит эффект Джоуля – Томсона, что он отражает?

63. Что отражает положительный и отрицательный эффекты Джоуля – Томсона?

64. Сформулируйте и поясните законы Паскаля и Архимеда.

65. Что называют линией тока, трубкой тока?

66. Что характерно для установившегося течения жидкости?

67. Какой закон выражает уравнение Бернулли для идеальной жидкости?

68. Как в потоке жидкости измерить статическое давление, динамическое давление, полное давление?

69. Каковы причины возникновения лобового сопротивления тела, движущегося в жидкости, может ли оно быть равным нулю?

70. Как объяснить возникновение подъемной силы?