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伯努利原理
丹尼尔·伯努利在1726年提出了“伯努利原理”。这是在流体力学连续介质理论方程建立之前,水力学所采用的基本原理,其实质是流体的机械能守恒。即:动能+重力势能+压力势能=常数。其最为著名的推论为:等高流动时,流速大,压力就小[1-2]
需要注意的是,由于伯努利方程是由机械能守恒推导出的,所以它仅适用于粘度可以忽略、不可被压缩的理想流体[2]
  • 提出时间

  • 1726年

  • 应用学科

  • 流体力学

  • 适用领域范围

  • 不同类型的流体流动

目录

  1. 1

  1. 2

  2. 3

  3. 4

  1. 5

伯努利原理方程式

伯努利原理原表达形式

伯努利原理往往被表述为:[2]
这个式子被称为伯努利方程。式中,P为流体中某点的压强,v为流体该点的流速,ρ为流体密度,g为重力加速度,h为该点所在高度,C是一个常量。它也可以被表述为:[2]

伯努利原理假设条件

使用伯努利定律必须符合以下假设,方可使用;如没完全符合以下假设,所求的解也是近似值[2]
  • 定常流:在流动系统中,流体在任何一点之性质不随时间改变[2]
  • 不可压缩流:密度为常数,在流体为气体适用于马赫数(Ma)<0.3[2]
  • 无摩擦流:摩擦效应可忽略,忽略黏滞性效应[2]
  • 流体沿着流线流动:流体元素沿着流线而流动,流线间彼此是不相交的[2]

伯努利原理图文解释

丹尼尔·伯努利在1726年首先提出时的内容就是:在水流或气流里,如果速度小,压强就大,如果速度大,压强就小。这个原理当然有一定的限制,但是在这里我们不谈它。下面是一些通俗些的解释:[3]
向AB管吹进空气。如果管的切面小(像a处),空气的速度就大;而在切面大的地方(像b处),空气的速度就小。在速度大的地方压力小,速度小的地方压力大。因为a处的空气压力小,所以C管里的液体就上升;同时b处的比较大的空气压力使D管里的液体下降[3]
图68
在图69中,T管是固定在铁制的圆盘DD上的;空气从T管里出来以后,还要擦过另外一个跟T管不相连的圆盘dd。两个圆盘之间的空气的流速很大,但是这个速度越接近盘边降低得越快,因为气流从两盘之间流出来,切面在迅速加大,再加上惯性在逐渐被克服,但是圆盘四周的空气压力是很大的,因为这里的气流速度小;而圆盘之间的空气压力却很小,因为这里的气流速度大。因此图盘周围的空气对圆盘的压力较大,并试图推开这两个圆盘;结果是,从T管里吹出的气流越强,圆盘dd被吸向圆盘DD的力也越大[3]
图69
图70和图69相似,所不同的只是用了水。如果圆盘DD的边缘是向上弯曲的,那么在圆盘DD上迅速流动着的水会从原来比较低的水面自己上升到跟水槽里的静水面一般高。因此圆盘下面的静水就比圆盘上面的动水有更高的压力,结果就使圆盘上升。轴P的用途是不让圆盘向旁边移动[3]
图70
图71画的是一个飘浮在气流里的很轻的小球。气流冲击着小球,不让它落下来。当小球一跳出气流,周围的空气就会把它推回到气流里,因为周围的空气速度小,压力大,而气流里的空气速度大,压力小[3]
图71
图72中的两艘船在静水里并排航行着,或者是并排地停在流动着的水里。两艘船之间的水面比较窄,所以这里的水的流速就比两船外侧的水的流速高,压力比两船外侧的小。结果这两艘船就会被围着船的压力比较高的水挤在一起。海员们都很知道两艘并排驶着的船会互相强烈地吸引[3]
如果两艘船并排前进,而其中一艘稍微落后,像图73所画的那样,那情况就会更加严重。使两艘船接近的两个力,会使船身转向,并且船B转向船A的力更大。在这种情况下,撞船是免不了的,因为舵已经来不及改变船的方向[3]
图72和73
在图72中所说的这种现象,可以用下面的实验来说明。把两个很轻的橡皮球照图74那样吊着。如果你向两球中间吹气,它们就会彼此接近,并且互相碰撞[3]
图74

伯努利原理伯努利

丹尼尔·伯努利出生于荷兰的格罗宁根,16岁时获艺术硕士学位,21岁时又获得医学博士学位。他曾申请解剖学和植物学教授职位,但未成功[3]
丹尼尔受父兄影响,一直很喜欢数学。1724年,他在去威尼斯的旅途中发表了《数学练习》-文,引起学术界关注,并被邀请到圣彼得堡科学院工作。1725年,25岁的丹尼尔受聘为圣彼得堡科学院生理学院士和数学院士。1727年,20岁的欧拉(后人将他与阿基米德、牛顿和高斯并列为数学史上的“四杰”)到圣彼得堡工作,成为丹尼尔的助手[3]
然而,丹尼尔不习惯圣彼得堡的生活,以至于8年以后的1733年,他找到机会返回巴塞尔,终于在那儿成为解剖学和植物学教授,后又成为物理学教授[3]
1734年,丹尼尔荣获巴黎科学院奖金,以后又10次获得该奖金。能与丹尼尔媲美的只有大数学家欧拉。丹尼尔和欧拉保持了近40年的学术通信,在科学史上留下了一段佳话[3]
在伯努利家族中,丹尼尔是涉及科学领域较多的人。他出版了经典著作《流体动力学》,研究了弹性弦的横向振动问题,提出了声音在空气中的传播规律。他的论著还涉及天文学、地球引力、潮汐、磁学、振动理论、船体航行的稳定和生理学内容等。博学的丹尼尔成为伯努利家族的代表人物[3]
丹尼尔于1747年当选为柏林科学院院士,1748年当选巴黎科学院院士,1750年当选英国皇家学会会员[3]
1782年3月17日,丹尼尔·伯努利在瑞士巴塞尔逝世,终年82岁[4]

伯努利原理发现过程

1912年的秋天,当时世界上最大的轮船之一、远洋货轮“奥林匹克号”正在大海上航行。突然,一艘比它小得多的铁甲巡洋舰“豪克号”从后面追了上来,在离它100m的地方几乎跟它平行地疾驰。就在这时,一件意外的事情发生了:“豪克号”好像着了魔似的,竟然扭转船头朝“奥林匹克号”冲了过来,“豪克号”上的舵手怎么操作也没有用。结果,“奥林匹克号”无可奈何地接受了“豪克号”的亲密接触,并付出了极大的代价——船舷被“豪克号”撞了一个大洞[3]
在海事法庭审理这件奇案的时候,“奥林匹克号”的船长被判为有过失的一方,法院认为,这是因为他没有发出任何命令给横着撞过来的“豪克号”让路。船长虽然感到自己很冤枉,但没有办法解释,只好蒙冤受屈。案子就这样结束了,但这件事情却引起了一些科学家的注意,他们认为这次事件一定事出有因[3]
其实,早在1726年,有一个叫丹尼尔·伯努利(1700-1782)的人就已经注意到:如果水沿着一条有宽有窄的沟(或粗细不均的管子)向前流动,沟的较窄部分就流得快些,但水流对沟壁的压力比较小;反之,在较宽的部分水就流得较慢,压向沟壁的力则会比较大。这一发现,后来被人们称为伯努利原理[3]
这个原理虽然发现得较早,但一直不被人们重视。出现了“奥林匹克号”被撞事件后,一些科学家突然想到,用这一原理来解释这次事故是非常合情合理的。于是,自此以后伯努利原理才渐渐得到了它应受的重视。这是一条普遍性的原理,它不仅对于流动的水是适用的,而且对于流动的其他液体甚至气体也适用[4]

伯努利原理应用举例

应用举例1
飞机为什么能够飞上天?因为机翼受到向上的升力。飞机飞行时机翼周围空气的流线分布是指机翼横截面的形状上下不对称,机翼上方的流线密,流速大,下方的流线疏,流速小。由伯努利方程可知,机翼上方的压强小,下方的压强大。这样就产生了作用在机翼上的方向的升力[2][5]
应用举例2
喷雾器是利用流速大、压强小的原理制成的。让空气从小孔迅速流出,小孔附近的压强小,容器里液面上的空气压强大,液体就沿小孔下边的细管升上来。从细管的上口流出后,空气流的冲击,被喷成雾状[2]
应用举例3
汽油发动机的化油器,与喷雾器的原理相同。化油器是向汽缸里供给燃料与空气的混合物的装置,构造原理是指当汽缸里的活塞做吸气冲程时,空气被吸入管内,在流经管的狭窄部分时流速大,压强小,汽油就从安装在狭窄部分的喷嘴流出,被喷成雾状,形成油气混合物进入汽缸[2]
应用举例4
球类比赛中的“旋转球”具有很大的威力。旋转球和不转球的飞行轨迹不同,是因为球的周围空气流动情况不同造成的。不转球水平向左运动时周同空气的流线。球的上方和下方流线对称,流速相同,上下不产生压强差。再考虑球的旋转,转动轴通过球心且平行于地面,球逆时针旋转。球旋转时会带动周同得空气跟着它一起旋转,致使球的下方空气的流速增大,上方的流速减小,球下方的流速大,压强小,上方的流速小,压强大。跟不转球相比,旋转球因为旋转而受到向下的力,飞行轨迹要向下弯曲[2][6]
应用举例5
表示乒乓球的上旋球,转动轴垂直于球飞行的方向且与台面平行,球向逆时针方向旋转。在相同的条件下,上旋球比不转球的飞行弧度要低下旋球正好相反,球要向反方向旋转,受到向上的力,比不转球的飞行弧度要高[2]
应用举例6
一支笔筒,向大口这边吹气,小口上放一个小球,小球能在空气中旋转[2]
应用举例7
在漏斗宽大处放一小球,用手抵住,在小口中吹气同时放开,小球上方的流线密,流速大,下方的流线疏,流速小,故小球不会落下,只会在漏斗中跳跃[2]
应用举例8
压气机:燃气涡轮发动机中利用高速旋转的叶片给空气作功以提高空气压力的部件。在动叶中,气体相对速度减小,压力升高,静叶中绝对速度减小,使气体静压升高[2]
应用举例9
泥沙运动时,由于水流流动,泥沙颗粒顶部和底部的流速不同,前者为水流的运动速度,后者则为颗粒间渗透水的流动速度,比水流的速度要小得多,根据伯努利定律,顶部流速高,压力小,底部流速低.压力高。这样造成的压差产生了上举力[2]
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  • 参考资料

    • 1.赵锋主编,创新思维与发明问题解决方法,西北工业大学出版社,2017.04,第238页

    • 2.谢兆帅著,万有引力新论,中国商业出版社,2017.01,第174页~第176页

    • 3.(苏)别莱利曼著;刘玉中译,趣味物理学 续编 第5版,中国青年出版社,2016.05,第119页~第121页

    • 4.刘树勇,白欣,周文臣等著,大众物理学史,山东科学技术出版社,2015.08,第61页

    • 5.曹外香主编,不学无束 凭什么相信科学 彩图版,天津科学技术出版社,2012.03,第32页

    • 6.刘鹏编著,生活中无处不在的物理原理,现代出版社,2012.04,第164页

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