流体力学基础在线视频

同学 你好

今天我们一起来学习

流体力学的相关基础知识

流体是与固体相对应的一种物体形态

是液体和气体的总称

流体具有三个典型的特征

即流动性 粘滞性和可压缩性

能够流动

是流体区别于固体最主要的特征

当你把手伸进水中

再拿出来的时候

你会发现手上会沾有水

这就是水的粘滞性导致的

在速度较低的情况下

附着在物体表面的流体

随着物体一起运动

从而使物体表面的流体层

与临近流体层间产生相对运动

产生阻碍物体运动的

流体层间的粘滞力

我们把它称作摩擦阻力或粘滞阻力

因此河流中间的水流动较快

由于粘滞性

靠近岸边的水却几乎不动

可压缩性决定了气体

和液体在一定的压力差

或温度差的条件下

其体积和密度是可以改变的

就像前面我们把人体

理想为多刚体系统一样

我们把既不可压缩

又无粘滞性的流体

称之为理想流体

理想流体在自然界中是不存在的

它只是真实流体的一种近似模型

但采用理想流体模型

能够使流动问题简单化

又不失去流动的主要特征

并能相对准确地反映客观实际流动

具有很重要的使用价值

气体和液体均能给物体以力的作用

静止流体的内部

垂直压力与受力面积之比为压强

单位是帕斯卡

液体内部任何方向上都有压强

在同一深度

各个方向的压强都相等

液体内部某一深处的压强

等于物体内部的

密度 重力加速度

以及深度三者的乘积

浸在液体或气体的物体

受到液体或气体

竖直向上托的力

这就是我们熟知的浮力

浮力的方向与重力相反

竖直向上

浮力产生的原因

是浸在液体或气体的物体

受到了液体或气体

对物体向上的和向下的压力差

我们把重力的合力作用点称之为重心

而浮力的作用点便是浮心

浮心的位置

与木体所排开的液体的重心重合

人体在水中可以保持不下沉

这主要是因为人体70%的成分是水

平均密度在0.96到1.05之间

不同的人随着呼吸

和人体密度略有不同

那么大家思考

现在如果我把人浸在水中

你说它是头先扶起来

还是脚先浮起来

人在水中

身体浮力的合力点

即浮心是由身体浸入水中

各部分的几何中心决定的

和人体重心并不重合

重心大体位于肚脐的位置

由于人上体排开的水的体积更大

因此浮心比重心更靠近头部

这样重力和浮力不贡献

重力朝上

浮力朝下会产生一个扭转力矩

使人的头部先浮出水面

当头部有一小部分浮出水面之后

浮力减少到和重力相等

而浮心移动到和重心在一条竖直线时

人体就能在水中平稳地浮着

再给大家介绍几个新的概念

流线合流管

在任意时刻

可在流体中做出许多曲线

曲线上任一点的切线方向

表示该处流体质点运动的轨迹

就是流线

流线密的地方表示流速大

而流线疏的地方表述流速比较小

在运动流体空间内

做一微小的闭合曲线

通过该闭合曲线上

各点的流线围成的细管

称之为流管

由于通常情况下流线不会相交

因此流管内外的流体都不会穿过管壁

当你观察一条河流时

你会发现窄的地方流速比较快

而宽的地方流速会比较慢

那么这一现象就可以用

流体的连续性原理来解释

根据物质的不灭定律

液体流动时既不能增多

也不能减少

而且液体又被几乎认为是不可压缩的

液体流经无分支的管道时

每一横截面上通过的流量

一定是相等的

这就是流体的连续性原理

如图中所示

我们任意选取

两个垂直于流管的截面积

A1和A2

流体在两截面处的流速

分别为V1和V2

对于理想流体来说

在T时间内

通过A1截面流过的体积

并等于通过A2截面流体的体积

即A1VT等于A2V2T

这样我们就得到了流速

与截面积的大小成反比的结论

因此河流在窄的地方

流速就会更快

我们来看这样一个小实验

当这个人拿着一根管子

往这两个气球之间吹气的时候

那这两个气球会怎么动呢

结果你发现这两个求是相互靠近

而不是被吹开

那这个现象

就和著名的伯努利定律有关系

即流体在流速大的地方压强小

在流速小的地方压强更大

当人往两个气球之间吹气时

使中间的气流速度变快

压强减小

进而使两个气球之间

与外侧空气形成压强差

因此气球被外侧气流

往里推而相互靠近

关于伯努利定律的推导

及在体育中的应用

会在马格努斯效应这一节中

进一步的深入讲解

流体在流动时会有两种不同的形式

就像水龙头中流出的水

当流速较小的时候

你发现流体它分层流动

我们把它称为层流

而当流速比较大的时候

那么流体质点的轨迹

失去了层状的性质

而变为不规则的运动

称之为湍流

当粘滞性的流体加速的流过

置于其中的一个物体时

即使速度不是很大

流层也可能被破坏

就变成了波动

然后离开物体表面的流体

在物体后方列成单个的涡旋

物体迎面的流体因为受阻

流速减慢

压强增大

而物体后方流体分离形成涡流区

压强减小

这样物体前后就形成了压强差

我们把它称之为压差阻力

在气流中压差阻力

同物体的的迎风面积形状

和在气球中的位置

都有很大的关系

形状相同的物体迎风面积越大

那么压差阻力也就越大

物体形状对压差阻力也有很大的影响

我们把一块圆形的平板

垂直的放在汽油中

那么它的前后会形成很大的压差阻力

平板后面会产生大量的涡流

而造成气流分离现象

如果在圆形平板前面加一个圆锥

那么它的迎风面积并没有改变

但形状变了

平板前面的高压区

这是被圆锥体填满

气流可以平滑地流过

压强不会急剧升高

这是平板

后面仍有气流分离

但低压区仍然存在

只是前后的压强差却大大减小

压差阻力降低到原来平板压差阻力的

大约1/5

如果在平板的后面再加上一个

细长的圆锥体

把充满漩涡的低压区也填满

使得物体后面只出现很少的漩涡

那么实验证明

压差阻力将会进一步降低到

原来平板大约得二十至二十五分之一

这样前端圆润

后面尖细像水滴或雨点似的物体叫做

流线型物体

简称流线体

在迎风面积相同的条件下

它的压差阻力最小

因此跑车 高铁

都要尽可能的造成流线型

以减少压差阻力

而我们的运动员

在水中和空气中高速运动时

也要想办法把自己

塑造成流线型来减少阻力

我们这节课就讲到这里

谢谢