这部分知识出现在中学物理八年级第二卷中。 这部分与之前学习的关系如下:图1。
当我们学习了力的基本概念后,我们将学习压力和压强。 只不过固体会对其下方的物体施加压力。 流体(如空气、水等)也有压力和压强。 接下来,我们了解了静止流体的压力。 主要是大气压力和液体压力。 那么流动的流体有压力吗? 一定有一个。 流动流体的压力与它有什么关系? 它有什么特别之处? 这就是本文要介绍的内容。
历史故事
在介绍知识点之前,我先给大家讲一个历史上的真实故事。 1912年,当时世界上最大的船舶之一的远洋货轮奥林匹克号刚刚驶出朴茨茅斯港。 这时,英国皇家海军霍克号巡洋舰恰好从后面靠近。 两艘船平行行驶,相距仅百米。 而就在这时,意外发生了。 两艘船像磁铁一样互相吸引,互相靠近,又相撞。
图2 奥林匹克与霍克碰撞图
奥林匹克号仅受到轻微损坏,并安全返回港口进行维修。 霍克号严重受损,几乎翻船。 庆幸的是,此次事故并未造成重大人员伤亡。 在随后的调查中,法院认定奥林匹克公司负有责任。 声称她的位移产生了吸力,将鹰拉向它。
原则
图 3. 流速高的地方压力低,流速低的地方压力高。
关于流体的流量与压力的关系,我们可以简单地表述为:“流量大的地方压力低,流量低的地方压力高”。 本文不再详细讨论具体的理论计算和推导。 大家都在读高中。 大学流体力学课程也将涵盖它。
但这件事后来引起了科学家的注意。 他们发现,这起事故可以用伯努利100多年前发现的流体流速与压力的关系来解释:当两艘船高速并排移动时,两艘船内部的水流速度因为是由船体驱动,速度相对较快,水压相对较低; 两船外的水流速度较低,水压较高。 这导致两艘船外部的压力大于内部的压力。 在压力差的影响下,事故发生了。
图4 船舶碰撞事件中流体流速和压力示意图。 日常生活中的场景。
在我们的现实生活中,还有很多很多的情况都运用了这个原则。
最常见的例子是飞机在起飞时受到的升力。 您可以仔细观察飞机机翼的横截面。 它具有凸形的上部形状和平坦的下部形状。 当飞机准备起飞滑行时,上方流动的空气路径窄、路径长、速度高,因此压力相对较小。 下面的空气流动相对缓慢。 机翼上方和下方的流速和压力不同,从而产生向上的升力。
图5、飞机起飞示意图
为什么下雨天我们的雨伞很容易被风吹走? 仔细观察伞的横截面,看看它是否像一架飞机。 有风时,顶部流速快,压力小,底部流速慢,压力大。 就像飞机的机翼一样,它们受到升力。
图6 雨伞为什么容易被风吹走
运动员可以沿着不同的弧线移动球。 他们如何做到这一点? 只要让球在前进的同时旋转即可。 回想一下我们之前学过的,相对速度原理。 当球体旋转时,球体旋转方向与前进方向相同的一侧,气流相对于球体的流速较小; 另一侧,球的旋转方向与前进方向相反,空气的相对流速较大。 结果,从流速小的地方到流速高的地方产生侧向力,使球的轨迹弯曲,形成所谓的环球或香蕉球。
图7. 香蕉球原理
在等待高铁或者地铁的时候,大家可能都注意到了地面上的安全线。 因为当火车高速行驶时什么样的固体可以用液体压强公式,会带动周围的空气移动。 火车附近气流速度高、压力低,而远处气流速度慢。什么样的固体可以用液体压强公式,压力很大。 如果压力差,人就会被推向火车。 所以大家千万不要跨越安全线。 当火车以50公里/小时的速度向前行驶时,轨道旁的人可能会感受到相当于80N左右的力。
图8.人们乘坐高铁时所感受到的吸力
有一个很有趣的案例,非洲土拨鼠洞穴的纵剖面示意图。 洞穴有两个出口,一个是平坦的,另一个是凸起的土丘。 这是什么原因呢? 事实证明,当空气流过地球表面时,一个孔的流速快,另一个孔的流速慢,两孔之间的压力差不同。 压力差使洞穴中的空气得以流通。
图9 土拨鼠洞穴通风原理
无论是飞机还是水翼船,流体都是用来提供向上的升力。 现实生活中,有些情况会利用这一原理产生向下的下压力,例如赛车后面的尾翼。 这是一架倒立的飞机。 机翼产生向下的下压力,使汽车更好地抓地。 关于流体流量与压力关系的应用,在现实生活中有很多应用。 只要你细心观察,就能发现。
图10 赛车尾翼产生的向下压力的家庭趣味实验
实验1:将纸放到嘴里,沿着纸的顶部用力吹气,看看纸如何移动。
实验二:用两根筷子划出一个轨道,上面放一个乒乓球,向中间吹空气。 球将如何移动?
实验3:手拿漏斗,喇叭口朝下。 用另一只手握住乒乓球,让球面向漏斗内的细管。 松手后,球就会落下,但是如果我们用力向下吹气到漏斗管中会发生什么?
实验4:将一根约20厘米长的饮料吸管A插入盛满水的杯子中,将另一根吸管B的嘴抵住A管的上端,如果用力向B管吹气,可以看到水面A管内上升,甚至喷出。 这是什么原因呢?
图 11. 流体速度和压力家庭实验参考资料
[1]。 北师大版(颜金铎)八年级下篇
[2]。 北京师范大学版(郭玉英)八年级
[3]。 八年级苏科版
[4]。 教育科学版
[5]。 上海科技版
[6]。 上海科技广东教育版
[7]。 人民教育出版社