科學的魅力,伯努利方程改變了我們這些實際生活

2021-02-08 安世亞太


一、為什麼叫伯努利方程


流體力學中有許多理論,其中不能不提的一個就是伯努利原理。這個原理描述了流體中速度和壓力的關係,即動能與壓強勢能互相轉換。伯努利方程是「伯努利原理」的數學描述,是一個很帥氣的瑞士人名叫丹尼爾·伯努利在1726年提出的。兩百多年來,這個理論已經成為了經典。




二、伯努利方程長什麼樣子


在當年,流體力學的連續介質理論方程還沒建立起來,伯努利原理成了水力學所採用的基本原理,其實質是流體的機械能守恆。伯努利方程如下:



式中p為流體中某點的壓強,v為流體該點的流速,ρ為流體密度,g為重力加速度,z為該點所在高度。取流體的A、B兩點,伯努利方程亦可描述如下:



用能量來描述就是:動能+重力勢能+壓力勢能=常數。


其最為著名的推論為:等高流動時,流速大,壓力就小;流速小,壓力就大。這種現象通常稱為伯努利效應。


三、伯努利方程適用範圍


任何原理都有一定的適用範圍,無規矩不能成方圓,伯努利方程也有自己的應用範圍。伯努利方程使用限制條件如下:



這裡需要補充下就是如果加入能量損失就可以適用粘性流體了。我們都知道我們平常生活中遇到的流體都是有粘性的,除了特殊條件下的超流體。有興趣的自己可以查下超流體資料。


四、伯努利方程生活中應用


這個經典理論和方程,在生活中是存在很多常見的場景的。當你看到的場景可以用這個「流體(氣體和液體)流速非常快時,壓強就會變得很小;相反的,流速慢時,壓強就大了。」來解釋時,你就看到了伯努利理論或方程的應用了。下面是幾個常見的例子,以後遇到這些情景就要反應過來,可以和旁邊的人說這是伯努利效應,高大上的賣弄哦,哈哈。


4.1、等地鐵或高鐵要站在黃線以外

當地鐵或高鐵高速行駛過來,人與地鐵之間的氣流被車帶動起來速度很快,那麼,人與車之間壓力就減小,而人背後的壓力是正常的,這樣前後兩種壓力就形成了一股強大的壓力差,會感受到背後一股推力推向地鐵或高鐵,造成傷害。



4.2、飛機能飛上天

飛機飛行時機翼周圍空氣的流線分布是指機翼橫截面的形狀上下不對稱,機翼上方的流線密,流速大,下方的流線疏,流速小。由伯努利方程可知,機翼上方的壓強小,下方的壓強大。這樣就產生了作用在機翼上的方向的升力。當然啦,這是飛機的升力的其中一部分,還有一部分升力是負壓渦流提供的。



4.3、汽油發動機的化油器

化油器是向汽缸裡供給燃料與空氣的混合物的裝置,構造原理是指當汽缸裡的活塞做吸氣衝程時,空氣被吸入管內,在流經管的狹窄部分時流速大,壓強小,汽油就從安裝在狹窄部分的噴嘴流出,被噴成霧狀,形成油氣混合物進入汽缸。



4.4、帆船能夠逆風航行

帆船順風行駛是最慢的,側風行駛速度也不快,逆風行駛反而是最快的。帆船能逆風前進與機翼同理,把機翼立起來就可以看到,因為帆不是一個硬繃繃的平面,在受風時,它是三度空間形狀。這種弧形使得吹過帆下風面的氣流與通過帆上風面的氣流有壓強差,從而產生推力。


保持船頭與海風的方向呈30-40度角時,推動效率最高。在2000年8月,法國人設計的「Hydroptere」號帆船在風速只有15節的情況下,速度卻達到了35節(略低於70公裡時速)。



4.5、球類中的弧形球

弧旋球又稱「弧線球」,「香蕉球」,是足球運動中的技術名詞(英語bananaball)。指運動員運用腳法,踢出球後並使球在空中向前作弧線運行的踢球技術。


以右腳球員為例,當球員用右腳內側「搓」球時,由於與腳內側的摩擦,足球在向球門方向運動時會產生逆時針方向的旋轉。當球轉動時,空氣就與球面發生摩擦,在球周圍產生與球旋轉方向一致的氣流。由於足球向球門方向運動,旋轉方向為逆時針(右腳搓球),而球左側摩擦產生的氣流的流動方向與飛行中迎面遇到的氣流方向相同,因此球左側的空氣流動速度較快。與此同時,球右側的這兩股氣流的方向相反,所以球右側氣流速度較慢。


依據這一原理,右腳內側搓起的「香蕉球」在飛行時會感受到一個橫向的壓力差,形成橫向作用力(即馬格努斯力),使原本向右飛行的球逐漸向左偏轉。反之用左腳內側搓起的「香蕉球」則先向左飛再向右偏轉。



實際生活中有非常多伯努利原理或方程應用的情景,這裡不一一列舉了,希望上面幾個例子能夠給您舉一反三吧。現在明白伯努利原理或方程能夠成為流體力學中的經典之一的魅力所在了嗎?


文章來源:iCFD微信公眾號,作者老曾。版權歸作者所有,轉載旨在分享。


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