- •Концепции современного естествознания
- •Оглавление
- •1. Естествознание в мировой культуре
- •1.1. Естествознание, как единая наука о природе
- •1.2. Естественнонаучная и гуманитарная культура, их взаимодействие
- •1.3. Естественнонаучная картина мира
- •2. Структурные уровни организации материи и типы материальных систем
- •3. Концепции современной физики в макромире
- •3.1. Новые технологии и прогресс цивилизации
- •3.2. Механическое движение
- •3.3. Динамика материальной точки и поступательного движения твердого тела
- •3.3.1. Классическая механика и границы ее применения
- •3.3.2. Законы динамики
- •3.3.3. Виды взаимодействия и их учет
- •3.4. Динамика вращательного движения твердого тела
- •3.5. Элементы механики жидкостей
- •3.6. Колебательные и волновые процессы
- •3.6.1. Колебания
- •3.6.2. Свободные, запухающие и вынужденные колебания
- •3.6.3. Автоколебания
- •3.6.4. Волновое движение
- •3.6.5. Звук
- •3.7. Молекулярная физика и термодинамика
- •3.7.1. Основные характеристики и законы молекулярно-кинетической теории идеального газа
- •3.7.2. Основные понятия и законы термодинамики
- •3.7.3. Реальные газы
- •3.7.4. Некоторые свойства жидкостей
- •3.7.4.1. Диффузия в жидкости
- •3.7.4.2. Осмотическое давление
- •3.7.4.3. Поверхностное натяжение, капиллярность и испарение
- •3.8. Электрические и магнитные явления
- •3.8.1. Электрические заряд и поле
- •3.8.2. Постоянный электрический ток
- •3.8.3. Сопротивление однородного проводника. Сверхпроводимость
- •3.8.4. Высокотемпературная сверхпроводимость
- •3.8.5. Ток в жидкостях. Электролиз. Законы Фарадея
- •3.8.6. Газовые разряды. Плазма
- •3.8.7. Магнитное поле
- •3.8.8. Действие магнитного поля на проводник с током и движущийся заряд
- •3.8.9. Электромагнитная индукция
- •3.8.10. Электромагнитные волны и их свойства
- •3.9. Оптические процессы
- •3.9.1.Фотометрические понятия и единицы
- •3.9.2. Основы геометрической оптики
- •3.9.3. Волоконная оптика
- •3.9.4. Интерференция света
- •3.9.5. Дифракция и рассеивание света
- •3.9.6. Поляризация света
- •4. Микромир: концепции современной физики
- •4.1. Тепловое излучение
- •4.1.1. Некоторые примеры использования законов теплового излучения
- •4.2. Фотоэлектрический эффект
- •4.3. Давление света
- •4.4. Модели атома
- •4.5. Основы квантовой механики. Уравнение Шредингера
- •4.6. Принцип неразличимости одинаковых частиц. Принцип Паули. Распределение электронов в многоэлектронных атомах
- •4.7. Поглощение света
- •4.8. Вынужденное излучение
- •4.8.1. Лазерная технология
- •4.9. Понятие о зонной теории твердых тел
- •4.10. Основные характеристики и состав ядра атома
- •4.11. Реакции деления и синтеза атомных ядер
- •4.12. Понятие и типы взаимодействий элементарных частиц
- •5. Мегамир - современные концепции
- •5.1. Современные космологические модели Вселенной и Галактики
- •5.2. Строение и эволюция звезд. Солнечная система. Земля
- •Библиографический список
- •Алфавитно-предметный указатель
- •Часть I
- •644099, Омск, ул. Красногвардейская, 9
3.5. Элементы механики жидкостей
Для описания движения идеальных жидкостей необходимо использовать теорему о неразрывности струи и уравнение Бернулли. Жидкость считается идеальной, если перемещение одних частей жидкости относительно других не вызывает сил трения, т.е. внутреннее трение (вязкость) отсутствует. Уравнение Бернулли для стационарно текущей трубки идеальной жидкости записывается:
(3.4)
где р - плотность несжимаемой жидкости; v - скорость в сечении выбранной трубки жидкости; h - высота трубки жидкости; Р -гидравлическое давление.
Уравнение достаточно хорошо выполняется и для реальных жидкостей, внутреннее трение в которых не очень велико. Уравнение Бернулли является одним из основных законов механики жидкостей и газов (гидро- и аэродинамики), имеющее большое прикладное значение. С учетом этого закона через специальные трубопроводы вода или газ поступает на лопасти рабочего колеса гидротурбины или газотурбины и приводит его во вращение. На основе уравнения Бернулли действуют: водоструйный насос, карбюратор двигателя внутреннего сгорания, пульверизатор, опрыскиватель растений, ингалятор и другие распылители жидкости. Не обходится без уравнения Бернулли и объяснение возникновения подъемной силы самолета.
Если молекулы отличаются одна от другой какой-либо характерной величиной (энергией, массой, импульсом и др.), причем их распределение по значениям указанной характеристики неоднородно, то вследствие теплового движения молекул эта. величина переносится из одного места в другое. В результате возникает поток рассматриваемой величины, обуславливающий ряд явлений, называемых явлениями переноса. К ним относятся теплопроводность (обусловлена переносом энергии), диффузия (обусловлена переносом массы) и внутреннее трение или вязкость (обусловлено переносом импульса). Реальная жидкость, в отличие от идеальной, обладает вязкостью, обусловленной сцеплением между ее молекулами. Единицей вязкости в системе СИ является Паскаль-секунда и обозначается Па∙с. Вязкость жидкости во много раз превосходит вязкость газов. Вязкость жидкости находится в пределах () Па∙с и с повышением температуры уменьшается. Например у воды при 0°С=Па∙с, а при 90°С=Па∙с. Необходимо различать в движении жидкости два вида ее течения: ламинарное (параллельными слоями) и турбулентное (перемешивающееся, вихревое). Английский ученый Рейнольдc установил, что характер течения зависит от значения безразмерной величины, гдеp - плотность жидкости (газа); l- характерный для поперечного сечения потока размер. Величина Re называется числом Рейнольдса. При малых значениях Re ≤1000 - наблюдается ламинарное течение. При значении Re ≥1000 течение приобретает турбулентный характер. Число Рейнольдса может служить критерием подобия для течения
жидкости в трубах, каналах и т.д. Характер течения различных жидкостей (газов) в трубах разных сечений будет совершенно одинаков, если каждому течению соответствует одно и то же значение Re .
Благодаря вязкости тело, движущееся в жидкости, увлекает прилегающие к нему слои жидкости и потому испытывает сопротивление (трение) со стороны жидкости. Сила сопротивления зависит от скорости движения тела, его размеров и формы. Стокс установил, что при малых Re или небольших скоростях движения тел шарообразной формы сила сопротивления жидкости пропорциональна вязкости жидкости, радиусу шара r и скорости движения v, таким образом:
F =, (3.5)
Закон Стокса (3.5) применим также к движению шарообразных тел в газе, например к случаю падения дождевых капель в атмосфере. Если движение тела происходит в турбулентном потоке, сила трения резко возрастает по сравнению с ее значением в ламинарном потоке и становится пропорциональной уже не первой степени, а квадрату и даже кубу скорости. Турбулентное движение можно, например, наблюдать в водном потоке на узких и мелких участках русла реки. Здесь появляются характерные водяные вихри-водовороты. В воздушном потоке это движение наблюдается, например, вблизи строений: возникающие при сильном ветре воздушные вихри поднимают с Земли и крутят пыль, обрывки бумаги и другие легкие предметы.
Знакомство с физическими величинами: скоростью, ускорением, силой, работой, мощностей энергией позволяет однозначно уяснить, что наиболее перспективными будут та техника и технология, которые обладают большей производительностью при одинаковой металлоемкости, энергоемкости, надежности и экологичности. Все эти понятия имеют не абстрактное, а самое существенное значение в экономике любого производства и не могут игнорироваться их руководством. Поскольку производительность труда находится в прямой зависимости от механизации и автоматизации процесса производства, то они являются основополагающими аргументами в развитии и совершенствовании производственных процессов и укреплении экономики производства.