Рух тіла в рідині

Малюнок 7.1 - Дія сил на тіло, що рухається в рідині

Розглянемо складові сили:

- сила. спрямована в бік, протилежний руху тіла називається силою лобового опору;

- сила. яка спрямована перпендикулярно вектору сили - підйомна сила.

Якщо тіло має симетричну форму, то виконується умова. В ідеальній рідині, де в'язкість відсутня, рівномірний рух тіла має відбуватися без лобового опору, тобто .

Якщо рідина реальна і має в'язкість, то тонкий шар рідини прилипає до поверхні тіла і рухається разом з ним, тягнучи за собою через тертя наступні шари. У міру віддалення від поверхні тіла швидкість шарів стає менше і, на певній відстані від поверхні тіла, виявляється практично необуреним рухом тіла.

Таким чином, тіло виявляється оточеним шаром рідини, де є градієнт швидкості. Даний шар є прикордонним шаром. У ньому діють сили тертя, які виявляються прикладеними до тіла і призводять до виникнення лобового опору.

При наявності прикордонного шару, як показано на малюнку 7.2, повне обтікання тіла неможливо.

Малюнок 7.3 - Обтікання тіла каплевидної форми

Співвідношення між опором тертю і опором тиску визначається числом Рейнольдса (6.7). При цьому:

- якщо число Рейнольдса мало, то основну роль грає опір тертю, а опором тиску можна знехтувати;

- при збільшенні значення величини роль опору тиску починає зростати;

- якщо число велике, то основну роль грає опір тиску. Опір тертю ролі практично не грає.

7.2 Формула Стокса

Якщо число мало, значить швидкість руху тіла щодо рідини і геометричні розміри тіла малі. Опір рідини в цьому випадку обумовлено тільки силами тертя. При цьому модуль сили лобового опору прямо пропорційний в'язкості рідини. швидкості набігаючого потоку і лінійними розмірами тіла. Тому сила опору руху кульки в рідини при малих швидкостях дорівнює

У вираженні (7.1) величина є радіус кульки, а саме вираження є формулою Стокса.

Розглянемо малюнок 7.4, де кулька в рідині рухається вертикально

вниз. На кульку, що падає вертикально

вниз (в рідині), будуть діяти три

2. Архимедова сила;

Рисунок 7.4 - Рух кульки Сила Стокса залежить від швидкості рідини,

в рідини вниз тобто .

При досягненні кулькою певної швидкості. почне виконуватися умова. Тому кулька буде тонути з постійною швидкістю, тобто . Значення швидкості можна розрахувати з соотношеніядействующіх на кульку сил, виходячи з малюнка 7.4:

Якщо в вираз підставити значення модулів сил, за умови, що. отримаємо:

Звідси висловлюємо значення швидкості:

7.3 Підйомна сила

Для виникнення підйомної сили в'язкість рідини не має великого значення.

Малюнок 7.5 - Процес виникнення підйомної сили

Як випливає з малюнка, лінії струму зверху гущі, ніж знизу, тому тиск зверху буде менше, ніж знизу і тому через різницю тисків виникає підйомна сила.

Підйомна сила виникає не тільки в ідеальній рідині, але і в рідині, що має в'язкість.

Схожі статті