速大。
伯努利方程 现在研究理想流体做定常流动时流体中压强和流速的关系。
图4-7-3表示一个细管,其中流体由左向右流动。在管的a1处和a2处用横截面截出一段流体,即a1处和a2处之间的流体,作为研究对象。
a1处左边的流体对研究对象的压强为p1, a1处的横截面积为S1,流速为v1,高度为h1,
方向垂直于S1向右。
a2处的横截面积为S2,流速为v2,高度为h2,a2处左边的流体对研究对象的压强为p2,方向垂直于S2向左。
经过很短的时间间隔?t,这段流体的左端S1由a1移到b1。右端S2由a2移到b2。两端移动的距离分别为?l1和?l2。左端流入的流体体积为?V1?S1?l1,右端流出的流体体积为?V2?S2?l2,理想流体是不可压缩的,流入和流出的体积相等,?V1??V2,记为?V。
现在考虑左右两端的力对这段流体所做的功。
作用在液体左端的力F1?p1S1,所做的功
W1?F1?l1?p1S1?l1?p1?V。
作用在右端的力F2?p2S2,所做的功
a2b2p2W2??F2?l2??p2S2?l2??p2?V。
外力所做的总功
W?W1?W2?(p1?p2)?V (1)
外力做功使这段流体的机械能发生改变。初状态的机械能是a1到a2这段流体的机械能E1,末状态的机械能是b1到b2这段流体的机械能E2。由b1到a2这一段,经过时间?t,虽然流体有所更换,但由于我们研究的是理想流体的定常流动,流体的密度?和各点的流速v没有改变,
a1b1h1h2p1图4-7-3
动能和重力势能都没有改变,所以这一段的机械能没有改变,这样机械能的改变E2?E1就等于流出的那部分流体的机械能减去流入的那部分流体的机械能。
由于m???V,所以流入的那部分流体的动能为
1212mv1??v1?V2 2
重力势能为
mgh1??gh1?V
流出流体的动能为
1212mv2??v2?V22
重力势能为
mgh2??gh2?V
机械能的改变为
E2?E1?12?(v2?v12)?V??g(h2?h1)?V2 (2)
理想流体没有粘滞性,流体在流动中机械能不会转化为内能,所以这段流体两端受的
力所做的总功W等于机械能的改变
E2?E1,即 W=E2?E1 (3)
将(1)式和(2)式代入(3)式,得
整理后得
(p1?p2)?V?12?(v2?v12)?V??g(h2?h1)?V2
p1?1212?v1??gh1?p2??v2??gh222 (4)
a1和a2是在流体中任意取的,所以上
式可表示为对管中流体的任意处:
(4)式和(5)式称为伯努利方程。
流体水平流动时,或者高度差的影响不显著时(如气体的流动),伯努利方程可表达为
p?12?v??gh?2常量 (5)
1p??v2?2常量 (6)
图4-7-4
从(6)式可知,在流动的流体中,压强跟流速有关,流速v大的地方要强p小,流
速v小的地方压强p大。
知道压强和流速的关系,就可以解释本节开始所做的实验了。经过漏斗吹乒乓球时,乒乓球上方空气的流速大,压强小,下方空气的压强大,乒乓球受到向上的力,所以会贴在漏斗上不会掉下来。向两张纸中间吹气,两张纸中间空气的流速大,压强小,外边空气的压强大,所以两张纸将互相贴近。同样的道理,两艘并排的船同
甲:不转球向行驶时(图4-7-4)如果速度较大,两船会互相靠近,有相撞的
危险。历史上就曾经发生过这类事故。在航海中。对并排同向行驶的船舶,要限制航速和两船的距离。
伯努利方程的应用:
球类比赛中的旋转球和不转球的飞行轨迹不同,是因为球周
乙:旋转球图4-7-5
围空气流动情况不同造成的。图4-7-5甲表示不转球水平向左运动时周围空气的流线。球的上方和下方流线对称,流速相同,上下不产生压强差。现在考虑球的旋转,致使球的下方空气的流速增大,上方流速减小,周围空气流线如图乙所示。球的下方流速大,压强小,上方流速小,压强大。跟不转球相比,图4-1-6乙所示旋转球因为旋转而受到向下的力,飞行轨迹要向下弯曲。
例:如图4-7-6所示,用一弹簧把两物块A和B连接起来后,置于水平地面上。已知A和B的质量分别为m1和m2。问应给物块A上加多大的压力F,才可能在撤去力F后,A向上跳起后会出现B对地无压力的情况?弹簧的质量略去不计。
设弹簧原长为l0,建立如图4-7-7所示的坐标,以k表示弹簧的劲度系数,则有 m1g?kx0 ①
取图中O点处为重力势能零点,当A受力F由O点再被压缩了x时,系统的机械能为
A1k(x0?x)2?(?m2gl0)2 ②
撤去F当A上升到最高处即弹簧较其自然长度再伸长x?时,系统的机械能为 Ex??m1gx?Ex??m1g(x0?x?)?12kx??(?m2gl0)2 ③
B图4-7-6
x0?x?x0l0AFAA在x处时,其受力满足
? F?m1g?k(x0?x)?0,
以①式的m1g?kx0代入上式,乃有
AxOF?kx ④
?当F撤去A上升到x0?x处时,弹簧的弹
力大小为kx?,设此时B受到地面的支持力为N,
则对于B应有
N?kx??m2g?0
要B对地无压力,即N=0,则上式变为
BB 图4-7-7
BBkx??m2g ⑤
?因为A由x处上升至x0?x处的过程中,对此系统无外力和耗散力作功,则其机械能守恒,即
Ex?=Ex ⑥
联立解②~⑥式,可得
F?m1g?m2g。
显然,要出现B对地无压力的情况,应为F≥(m1?m2)g。当F=(m1?m2)g时,刚好能出现B对地无压力的情况,但B不会离开地面;当F>(m1?m2)g时,B将出现离开地面向上跳起的情况。
§4.8 碰撞
质量m1和m2的两个物块,在直线上发生对心碰撞,碰撞前后速度分别为v10和v20及v1和v2,碰撞前后速度在一条直线上,由动量守恒定律得到m1v10?m2v20?m1v1?m2v2 根据两物块在碰撞过程中的恢复情况,碰撞又可分类为下列几种 (1)弹性碰撞
在碰撞过程中没有机械能损失的碰撞称为弹性碰撞,由动能守恒有
11112222m1v10?m2v20?m1v1?m2v22222
结合动量守恒解得
v1?m1?m22m2v10?v20m1?m2m1?m2
2m2m?m1v2?v10?2v20m1?m2m1?m2
对上述结果可作如下讨论
①m1?m2,则v1?v20,v2?v10,即m1m2交换速度。
②若m1>>m2,且有v20=0,则v1?v10,v2?2v10即质量大物速度几乎不变,小物以二倍于大物速度运动。
③若m1<<m2,且v20=0,则v1??v10,v2?0,则质量大物几乎不动,而质量小物原速率反弹。
(2) 完全非弹性碰撞
两物相碰粘合在一起或具有相同速度,被称为完全非弹性碰撞,在完全非弹性碰撞中,系统动量守恒,损失机械能最大。
m1v10?m2v20?(m1?m2)v
碰撞过程中损失的机械能为
m1v10?m2v20v?m1?m211122m1v10?m2v20?(m1?m2)v22221mm?(12)(v10?v20)22m1?m2 ?E?(3 )一般非弹性碰撞,恢复系数
一般非弹性碰撞是指碰撞后两物分开,速度v1?v2,且碰撞过程中有机械损失,但比完全非弹性碰撞损失机械能要小。物理学中用恢
v20lv20v10nv20nm2v10v10l图4-9-1
m1