流體力學簡介ppt課件-大學物理

大學物理教學研討流體力學大學物理教學研討流體力學內(nèi)容提綱表面現(xiàn)象與表面張力壓強與靜止液體壓強彎曲液面的附加壓強毛細現(xiàn)象與朱侖公式流線與流管理想流體的定常流動連續(xù)性原理伯努利方程及應(yīng)用流體力學流體靜力學流體動力學

流體：具有流動性的液體和氣體內(nèi)容提綱表面現(xiàn)象與表面張力流線與流管流體力學流體流體流教學要求流體靜力學理解液體表面張力產(chǎn)生的微觀本質(zhì)掌握表面張力系數(shù)的兩種定義掌握彎曲液面的附加壓強及計算掌握毛細管現(xiàn)象中的朱侖公式流體動力學掌握理想流體模型理解理想流體、流線、流管等物理概念掌握理想流體的穩(wěn)定流動的連續(xù)性原理掌握伯努利方程的原理與應(yīng)用教學要求流體靜力學葉面：疏水、不吸水的表面，永遠保持一塵不染。荷花效應(yīng)葉面：疏水、不吸水的表面，永遠保持一塵不染。荷花效應(yīng)水黽的高明之處：

1、既不會劃破水面，也不會浸濕自己的腿。

2、它在水面上每秒鐘可滑行100倍于身體長度的距離，這相當于一位身高1.8米的人以每小時400英里的速度游泳。肥皂泡！！水黽的高明之處：

1、既不會劃破水面，也不會浸濕自己的腿。流體力學簡介ppt課件-大學物理液體的性質(zhì)與其微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)液體具有一定的體積，不易壓縮。

液體分子間距較氣體小了一個數(shù)量級,為10-10

m，分子排列較緊密，分子間作用力較大,其熱運動與固體相似,主要在平衡位置附近作微小振動。液體沒有一定形狀，并具有流動性。

這是由于液體分子振動的平衡位置不固定，是近程有序，即在很小范圍內(nèi)在一短暫時間里保持一定的規(guī)則性。表面現(xiàn)象

由于液體分子間距小，分子間相互作用力較大，當液體與氣體、固體接觸時，交界處由于分子力作用而產(chǎn)生一系列特殊現(xiàn)象，即：液體表面現(xiàn)象。液體的性質(zhì)與其微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)液體具有一定的體積，不易壓縮。表表面現(xiàn)象與表面張力現(xiàn)象液體表面有收縮到最小的趨勢液面像緊繃的彈性薄膜表面張力表面層：在液體與氣體交界面，厚度等于分子有效作用距離(=10-8m)

的一層液體表面張力：液體的表面層中有一種使液面盡可能收縮成最小的宏觀張力表面現(xiàn)象與表面張力現(xiàn)象表面張力產(chǎn)生的微觀本質(zhì)分子力觀點：表面張力是由于液體表面層內(nèi)分子間相互作用與液體內(nèi)部分子間相互作用不同。能量觀點：把分子從液體內(nèi)部移到表面層，需克服f⊥作功;外力作功,分子勢能增加,即表面層內(nèi)分子的勢能比液體內(nèi)部分子的勢能大，表面層為高勢能區(qū);表面層內(nèi),各個分子勢能增量的總和稱為液體的表面能，用E

表示。任何系統(tǒng)的勢能越小越穩(wěn)定，表面層內(nèi)的分子有盡量擠入液體內(nèi)部的趨勢，即液面有收縮的趨勢，使液面呈緊張狀態(tài)，宏觀上就表現(xiàn)為液體的表面張力。體積一定,球體的表面積最小表面張力產(chǎn)生的微觀本質(zhì)分子力觀點：分子間既有引力作用又有斥力作用平衡位置斥力起主要作用引力起主要作用v12rdv12=0R—分子有效作用半徑分子力是短程力！r分子有效直徑分子間既有引力作用平衡位置斥力起主要作用引力起主要作用v12f

f

f

從表面層中Q、R、S點任取一分子，其分子作用球一部分在液體外，空氣密度比水小，破壞了表面層的分子受力的球?qū)ΨQ性；其受合力與液面垂直，指向液體內(nèi)部，這使得表面層內(nèi)的分子與液體內(nèi)部的分子不同,都受一個指向液體內(nèi)部的合力f

越靠近表面，受到的f

越大；在f

作用下，液體表面的分子有被拉進液體內(nèi)部的趨勢。

在宏觀上就表現(xiàn)為液體表面有收縮的趨勢。fff從表面層中Q、R、S點任取一分子，其分子作用球表面張力系數(shù)定義定義一：液體表面單位長度直線段上的表面張力線段越長,則合力越大。設(shè)線段長為

l,則：

F=

l

。

為表面張力系數(shù)，單位：N/m

定義二：表面張力系數(shù)與表面能增量增加單位液體表面積時，外力所需做的功，或增加單位液體表面積時，所增加的表面能——比表面能表面張力系數(shù)定義定義一：液體表面單位長度直線段上的表面張力表面張力的演示圓形金屬框上沾有肥皂泡沫，若將膜面上的棉線圈內(nèi)部的膜戳破，那么棉線圈將被液體的表面張力拉成圓形；表面張力的演示圓形金屬框上沾有肥皂泡沫，若將膜面上的棉線圈內(nèi)表面張力的方向：與液面相切，與線段垂直；表面張力的方向：與液面相切，與線段垂直；影響表面張力系數(shù)的因素與液體的性質(zhì)有關(guān)：不同液體，

值不同；密度小、易揮發(fā)的液體

值較小,如:酒精、乙醚的

值很小，金屬熔化后的

值很大與相鄰物質(zhì)化學性質(zhì)有關(guān)：同一液體與不同物質(zhì)交界，

值不同與溫度有關(guān)：溫度升高，

值減小。當液體沸騰時表面張力系數(shù)為零與液體內(nèi)所含雜質(zhì)有關(guān)：在液體內(nèi)加入雜質(zhì)，液體的表面張力系數(shù)將顯著改變，有的使其

值增加；有的使其

值減小。使

值減小的物質(zhì)稱為表面活性物質(zhì)。影響表面張力系數(shù)的因素與液體的性質(zhì)有關(guān)：ABhP0壓強與靜止液體壓強壓強：單位面積受到的壓力P=F/S，單位是帕斯卡，符號是Pa靜止液體壓強的特點靜止液體中的任一點，來自任何方向的壓強均相同；液體內(nèi)部等高點的壓強相等，液體表面的壓強等于大壓強高度差為h的兩點，壓強差為

gh，并且離液面越深處的壓強越大；ABhP0壓強與靜止液體壓強壓強：單位面積受到的壓力附加壓強的產(chǎn)生

大氣壓強為P0，取靠近液面的兩點A,B；其中A在液體外部，B在液體內(nèi)部；在液體表面上取一小面積△S,由于液面水平，表面張力沿水平方向，△S平衡時，其邊界表面張力相互抵消,△S

內(nèi)外壓強相等：

PB=PA＝P0AB1.平液面附加壓強的產(chǎn)生大氣壓強為P0，取靠近液面的兩點A,B；2.液面彎曲1)凸液面時，如圖

S周界上表面張力沿切線方向，合力指向液面內(nèi)，

S好象緊壓在液體上，使液體受一附加壓強ps，由力平衡條件，液面下液體的壓強：ps為正;※附加壓強使得液體內(nèi)部壓強大于外部壓強。AB2.液面彎曲1)凸液面時，如圖S周界上表面張力沿切線方向2）凹液面時，如圖

S周界上表面張力的合力指向外部，

S好象被拉出，液面內(nèi)部壓強小于外部壓強，液面下壓強：總之：附加壓強使彎曲液面內(nèi)外壓強不等，與液面曲率中心同側(cè)的壓強恒大于另一側(cè)，

任何彎曲液面都對液體產(chǎn)生附加壓強；附加壓強方向恒指向彎曲液面的曲率中心；AB2）凹液面時，如圖S周界上表面張力的合力指向外部，S好象球形液面的附加壓強---拉普拉斯公式設(shè)有一半徑為R的球形液滴，其表面張力系數(shù)為

，是凸液面，則液滴表面層內(nèi)外的壓強:lp內(nèi)P外r

l

RFF//F

在液體表面，取微小球冠形液體元，球冠的邊緣線l存在表面張力F，沿球冠表面切線方向。由于球冠很小，忽略其重力。受力分析：表面張力F球形液面的附加壓強---拉普拉斯公式設(shè)有一半徑為R的球形液滴在球冠的邊緣線上取線元

l,對應(yīng)表面張力為F。沿邊緣線一周，

F//相互抵消，作用在球冠邊緣線上的表面張力的合力為：受力平衡：在球冠的邊緣線上取線元l,對應(yīng)表面張力為F。沿邊緣補充：※向帶有活塞的三通玻璃管吹氣使兩端分別掛上大小不一的肥皂泡，旋轉(zhuǎn)活塞使兩氣泡連通，觀察氣泡的變化?

發(fā)現(xiàn)小泡將越來越小，大泡越脹越大。這就是小泡的附加壓強大于大泡的附加壓強的緣故。補充：※向帶有活塞的三通玻璃管吹氣使兩端分別掛上大小不一的2.R越小,附加壓強越大表面張力系數(shù)均勻肺泡大小不均:肺泡合并，表面積減少表面活性物質(zhì)對附加壓強的調(diào)節(jié)作用是肺泡正常行使功能的保證2.R越小,附加壓強越大表面張力系數(shù)均勻

潤濕:液體沿固體表面延展的現(xiàn)象，稱液體潤濕固體。(水—玻璃)一、潤濕與不潤濕1.定義不潤濕：液體在固體表面上收縮的現(xiàn)象，稱液體不潤濕固體。(水—石蠟)

潤濕、不潤濕與相互接觸的液體、固體的性質(zhì)有關(guān)。潤濕與不潤濕毛細現(xiàn)象潤濕:液體沿固體表面延展的現(xiàn)象，稱液體潤濕固體。(水—玻內(nèi)聚力：附著層內(nèi)分子所受液體分子引力之和。2.微觀解釋潤濕、不潤濕是由于分子力不對稱而引起。附著力：附著層內(nèi)分子所受固體分子引力之和。附著層：在固體與液體接觸處，厚度等于液體或固體分子有效作用半徑

（以大者為準）的一層液體。內(nèi)聚力：附著層內(nèi)分子所受液體分子引力之和。2.(2)當

f附<f內(nèi),A分子所受合力f垂直于附著層指向液體內(nèi)部，液體內(nèi)部分子勢能小于附著層中分子勢能，附著層中分子盡量擠進液體內(nèi)部，使附著層收縮，宏觀上表現(xiàn)為液體不潤濕固體。(1)當

f附>f內(nèi),A分子所受合力f垂直于附著層指向固體，液體內(nèi)部分子勢能大于附著層中分子勢能，液體內(nèi)的分子盡量擠進附著層，使附著層擴展，宏觀上表現(xiàn)為液體潤濕固體。(2)當f附<f內(nèi),A分子所受合力f垂直于附著

在液體與固體接觸面的邊界處，作液體表面及固體表面的切線，這兩切線通過液體內(nèi)部的夾角稱接觸角

，用θ表示。

3.接觸角⑴⑵在液體與固體接觸面的邊界處，作液體表面及固體表二、毛細現(xiàn)象水在細玻璃管中水面上升；水銀在玻璃管中液面下降；1.毛細現(xiàn)象潤濕管壁的液體在細管里升高，不潤濕管壁的液體在細管里下降的現(xiàn)象。原因：表面張力及潤濕、不潤濕。細管稱毛細管。毛細管：紙張、燈芯、紗布中的纖維、土壤、植物的根莖等二、毛細現(xiàn)象水在細玻璃管中水面上升；1.毛細現(xiàn)象潤濕管壁的液2.管內(nèi)液面上升（或下降）的高度(1)液體潤濕管壁半徑為r的毛細管剛插入水中時，θ為銳角,管內(nèi)液面為凹液面，PC=P0,PB<P0,B、C

為等高點，但PB<PC

，液體不能靜止，管內(nèi)液面將上升，直至PB=PC

為止，有：毛細管半徑為r，液面的曲率半徑為R，有：2.管內(nèi)液面上升（或下降）的高度(1)液體潤濕管壁半徑為r(2)液體不潤濕管壁

毛細管剛插入水銀中時，θ為鈍角,管內(nèi)液面為凸液面，PC=P0,PB＞

P0,B、C

為等高點，但PB

＞

PC

，所以液體不能靜止，管內(nèi)液面將下降，直至找到等壓點為止，有：毛細管半徑為r，液面的曲率半徑為R，有：(2)液體不潤濕管壁毛細管剛插入水銀中時，θ為鈍角,管———朱侖公式；毛細管中液面上升高度與表面張力系數(shù)成正比；與毛細管半徑成反比，并與接觸角θ有關(guān)。因此毛細管越細，液面上升就越高；利用朱侖公式可以測定液體表面張力系數(shù)；應(yīng)用：土壤中的懸著水h>0,液面上升h<0,液面下降———朱侖公式；毛細管中液面上升高度與表面張力系數(shù)成正比；h理想流體的穩(wěn)定流動基本概念流體的粘滯性：實際流體在流動時．其內(nèi)部有相對運動的相鄰兩部分之間存在類似兩固體相對運動時存在的摩擦阻力(內(nèi)摩擦力)流體的這種性質(zhì)稱為粘滯性。流體的可壓縮性：實際流體在外界壓力作用下、其體積或密度會發(fā)生變化即具有可壓縮性理想流體模型：絕對不可壓縮、沒有粘滯性的流體叫做理想流體一般情況下，密度不發(fā)生明顯變化的氣體或者液體、粘滯性小的流體均可看成理想流體．理想流體的穩(wěn)定流動基本概念2.定常流動：流體質(zhì)點經(jīng)過空間各點的流速雖然可以不同，但如果空間每一點的流速不隨時間而改變，這樣的流動方式稱為定常流動，也稱為穩(wěn)定流動是一種理想化的流動方式。如：水龍頭的涓涓細流、植物導(dǎo)管、動物毛細血管；流體的運動形式：1.一般流動形式：通常流體看做是由大量流體質(zhì)點所組成的連續(xù)介質(zhì)。流動的復(fù)雜性：一般情況流體運動時，由于流體各部分可以有相對運動，各部分質(zhì)點的流動速度是空間位置的函數(shù)，又是時間t的函數(shù)

2.定常流動：流體的運動形式：1.一般流動形式：流線、流管流線：為了形象地描述定常流動的流體而引入的假想的直線或曲線流線上任意點的切線方向就是流體質(zhì)點流經(jīng)該點的速度方向穩(wěn)定流動時，流線的形狀和分布不隨時間變化，且流線與流體質(zhì)點的運動軌跡重合；流線的疏密程度可定性地表示流體流速的大??；流線不相交；2.流管：流體內(nèi)部，通過某一個截面的流線圍成的管狀空間；流體質(zhì)點不會任意穿出或進入流管；（與實際管道相似）流體可視為由無數(shù)個穩(wěn)定的流管組成，分析每個流管中流體的運動規(guī)律，是掌握流體整體運動規(guī)律的基礎(chǔ)；流線、流管流線：為了形象地描述定常流動的流體連續(xù)性原理1.推導(dǎo)過程：假設(shè)：①.取一個截面積很小的細流管，垂直于流管的同一截面上的各點流速相同；②.流體由左向右流動；③.流體具有不可壓縮性；④.流體質(zhì)點不可能穿入或者穿出流管；⑤.在一個較短的時間

t內(nèi)，流進流管的流體質(zhì)量等于流出流管的流體質(zhì)量（質(zhì)量守恒），即：連續(xù)性原理1.推導(dǎo)過程：假設(shè)：理想流體的連續(xù)性方程(連續(xù)性原理、流量方程)：連續(xù)性原理：流體在同一細流管中作穩(wěn)定流動時，通過任一截面S的體積流量保持不變。推廣，對于不可壓縮的實際流體，任意流管、真實導(dǎo)流管、流體管道都滿足連續(xù)性原理。如果同一截面上流速相同，不可壓縮的流體在流管中做穩(wěn)定流動時流體的流速

與流管的截面積S成反比，即截面大處流速小，狹窄處流速大。

如：河水的流動體積流量：表示單位時間內(nèi)流過任意截面S的流體體積，稱為體積流量，簡稱流量，用QV表示，單位為m3/s.

理想流體的連續(xù)性方程(連續(xù)性原理、流量方程)：連續(xù)性原理：流伯努利方程及其應(yīng)用伯努利方程：理想流體在重力場中作穩(wěn)定流動時，能量守衡定律在流動液體中的表現(xiàn)形式。

伯努利方程是瑞士物理學家伯努利提出來的，是理想流體作穩(wěn)定流動時的基本方程，對于確定流體內(nèi)部各處的壓力和流速有很大的實際意義、在水利、造船、航空等部門有著廣泛的應(yīng)用。伯努利方程及其應(yīng)用伯努利方程：理想流體在重力場中作穩(wěn)定流動時伯努利方程的推導(dǎo)：穩(wěn)定流動的理想流體中，忽略流體的粘滯性，任意細流管中的液體滿足能量守恒和功能原理！設(shè)：流體密度

，細流管中分析一段流體a1

a2

:a1處：S1，

1，h1,p1a2處：S2，

2，h2,p2經(jīng)過微小時間

t后，流體a1

a2

移到了b1

b2,從整體效果看，相當于將流體

a1

b1

移到了a2

b2,設(shè)a1

b1段流體的質(zhì)量為

m，則：機械能的增量：伯努利方程的推導(dǎo)：穩(wěn)定流動的理想流體中，忽略流體的粘滯性，任功能原理:系統(tǒng)受到非保守力做功，系統(tǒng)機械能的增量等于非保守力對系統(tǒng)作的功；外界對系統(tǒng)作的功?受力分析＝端面壓力＋側(cè)壁壓力功能原理:系統(tǒng)受到非保守力做功，系統(tǒng)機械能的增量等于非保二.對于同一流管的任意截面，伯努利方程：

含義：對于理想流體作穩(wěn)定流動，在同一流管中任一處，每單位體積流體的動能、勢能和該處壓強之和是一個恒量。伯努利方程，是理想流體作穩(wěn)定流動時的基本方程；對于實際流體，如果粘滯性很小，如：水、空氣、酒精等，可應(yīng)用伯努利方程解決實際問題；對于確定流體內(nèi)部各處的壓力和流速有很大的實際意義、在水利、造船、航空等部門有著廣泛的應(yīng)用。二.對于同一流管的任意截面，伯努利方程：含義：對于理想流在水平流動的流體中，流速大的地方壓強??；流速小的地方壓強大?！八俅髩盒　痹诖旨毑痪鶆虻乃搅鞴苤校鶕?jù)連續(xù)性原理，管細處流速大，管粗處流速小，因而管細處壓強小，管粗處壓強大；如：水流抽氣機、噴霧器、內(nèi)燃機的汽化器的基本原理都基于此；一.水平流管的伯努利方程：1.3.4.伯努利方程的應(yīng)用

在水平流動的流體中，流速大的地方壓強??；流速小的地方壓強大。生活中“速大壓小”的實例：在海洋中平行逆向航行的兩艘大輪船，相互不能靠得太近，否則就會有相撞的危險，為什么？逆流航行的船只行到水流很急的岸邊時，會自動地向岸靠攏；汽車駛過時，路旁的紙屑常被吸向汽車；簡單的實驗：用兩張窄長的紙條，相互靠近，用嘴從兩紙條中間吹氣，會發(fā)現(xiàn)二紙條不是被吹開而是相互靠攏，就是“速大壓小”的道理。打開的門窗，有風吹過，門窗會自動的閉合，然后又張開；生活中“速大壓小”的實例：在海洋中平行逆向航行的兩艘大輪船，6.飛機的機翼的翼型使得飛行中前面的空氣掠過機翼向后時，流經(jīng)機翼上部的空氣要通過的路程大于流經(jīng)機翼下部的空氣通過的路程，因此上部空氣流速大于下部空氣的流速，上部空氣對機翼向下的壓力就會小于下部空氣對機翼向上的壓力，從而產(chǎn)生升力；6.飛機的機翼的翼型使得飛行中前面的空氣掠過機翼向后時，流經(jīng)應(yīng)用實例1.

水流抽氣機、噴霧器空吸作用：當流體流速增大時壓強減小，產(chǎn)生對周圍氣體或液體的吸入作用；水流抽氣機、噴霧器就是根據(jù)空吸作用的原理（速度大、壓強?。┰O(shè)計的。應(yīng)用實例1.水流抽氣機、噴霧器空吸作用：當流體流速增大時壓應(yīng)用實例2.汾丘里流量計汾丘里管：特制的玻璃管，兩端較粗，中間較細，在較粗和較細的部位連通著兩個豎直細管。汾丘里管水平接在液體管道中可以測定液體的流量；流速：體積流量：只要讀出兩個豎管的高度差，就可以測量流速和流量應(yīng)用實例2.汾丘里流量計流速：體積流量：只要讀出兩個豎管的高應(yīng)用實例

文丘里管：可串接到管道中測定氣體流速的裝置HS1S2曲管壓強計中盛水銀，當粗管