Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

Wykład 14

14. Statyka i dynamika płynów

Z makroskopowego punktu widzenia powszechnie przyjęty jest podział materii na

ciała stałe i płyny. Pod pojęciem substancji, która może płynąć rozumiemy ciecze i ga-
zy. Dla ciał sztywnych, mających określony rozmiar i kształt, sformułowaliśmy mecha-
nikę ciał sztywnych. Do rozwiązywania zagadnień z mechaniki płynów musimy wpro-
wadzić nowy formalizm ponieważ płyny łatwo zmieniają kształt, a w przypadku gazów
przyjmują objętość równą objętości naczynia. Wygodnym jest w związku z tym sformu-
łowanie zasad dynamiki Newtona wraz z prawami opisującymi siły w szczególny spo-
sób.

14.1 Ciśnienie i gęstość

Różnica w działaniu siły powierzchniowej na płyn i na ciało stałe polega na tym, że
dla cieczy siła powierzchniowa musi być zawsze prostopadła do powierzchni płynu
podczas gdy w ciele stałym może mieć dowolny kierunek. Spoczywający płyn nie może
równoważyć sił stycznych (warstwy płynu ślizgałyby się po sobie) i dlatego może
zmieniać kształt i płynąć. Wygodnie jest więc opisywać siłę działającą na płyn za po-
mocą

ciśnienia p

zdefiniowanego jako wartość siły prostopadłej działającej na jednost-

kę powierzchni

. Ciśnienie jest przekazywane na sztywne ścianki naczynia, a także na

dowolne przekroje płynów

prostopadle

do tych ścianek i przekrojów w każdym punk-

cie. Ciśnienie jest wielkością skalarną.
W układzie SI jednostką jest (pascal), 1 Pa = 1 N/m

2

. Innymi jednostkami są bar (1 bar

= 10

5

Pa), atmosfera (1 atm = 101325 Pa), mm Hg (760 mm Hg = 1 atm).

Płyn znajdujący się pod ciśnieniem wywiera siłę na każdą powierzchnię będącą z

nim w kontakcie. Rozważmy zamkniętą powierzchnię zawierającą płyn (rysunek).

S

S

Dowolny element powierzchni jest reprezentowany przez wektor S (długość równa po-
wierzchni, kierunek prostopadły, zwrot na zewnątrz). Wtedy siła F wywierana przez
płyn na ten element powierzchni wynosi

F = pS

(14.1a)

Ponieważ F i S mają ten sam kierunek więc ciśnienie p można zapisać

14-1

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

p = F/S

(14.1b)

Do opisu płynów stosujemy pojęcie

gęstości

ρ

:

ρ = m/V

(14.2)

Gęstość zależy od wielu czynników takich jak temperatura, ciśnienie. W tabeli przed-
stawiony jest zakres wartości gęstości spotykanych w przyrodzie.

Materiał

ρ (kg/m

3

)

przestrzeń międzygwiezdna
najlepsza próżnia laboratoryjna
powietrze (1 atm 0

°C)

powietrze (50 atm 0

°C)

Ziemia: wartość średnia

rdzeń

skorupa
Białe karły
jądro uranu

10

-18

- 10

-21

10

-17

1.3
6.5

5.52·10

3

9.5·10

3

2.8·10

3

10

8

- 10

15

10

17

14.2 Zmiany

ciśnienia wewnątrz nieruchomego płynu

Gdy

płyn znajduje się w równowadze to jego każda część jest w równowadze. Roz-

patrzmy element w kształcie cienkiego dysku znajdującego się w odległości y od po-
ziomu odniesienia. Grubość dysku wynosi dy, a powierzchnia każdej strony wynosi S.
Masa takiego elementu wynosi

ρSdy, a jego ciężar ρgSdy. Przypominam, że siły działa-

jące na element są w każdym punkcie prostopadłe do powierzchni (rysunek).

(p+dp)S

pS

poziom odniesienia y=0

y

Siły poziome wywołane jedynie przez ciśnienie płynu równoważą się. Siły pionowe są
wywoływane nie tylko przez ciśnienie płynu ale też przez jego ciężar. Element płynu
nie jest przyspieszany więc wypadkowa siła działająca nań musi być zerem. Dla zacho-
wania równowagi w pionie trzeba więc by:

14-2

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

pS = (p+dp)S +

ρgSdy

a stąd

g

y

p

ρ

−

=

d

d

Równanie to pokazuje, że ciśnienie zmienia się ze zmianą wysokości ponad pewien po-
ziom odniesienia. Gdy wysokość rośnie tzn. dy > 0 wtedy dp < 0 tzn. ciśnienie maleje.
Powodem jest ciężar warstwy płynu leżącej pomiędzy punktami, dla których mierzymy
różnicę ciśnień. Dla cieczy zazwyczaj

ρ jest stałe (ciecze są praktycznie nieściśliwe),

różnice w wysokości nie są na tyle duże żeby uwzględniać zmiany g więc możemy dla
jednorodnej cieczy zapisać powyższe równanie w postaci:

g

y

p

ρ

−

=

∆

∆

stąd

(p

2

− p

1

) = -

ρg(y

2

− y

1

)

Jeżeli powierzchnia cieczy jest swobodna to stanowi naturalny poziom odniesienia. Aby
przenieść poziom odniesienia na powierzchnię przyjmujemy y

2

równe wzniesieniu tej

powierzchni. Wtedy ciśnienie p

2

(na powierzchni) jest równe ciśnieniu atmosferyczne-

mu p

0

. Teraz y

1

opisuje położenie (wysokość) pewnego poziomu w cieczy. Ciśnienie na

tym poziomie oznaczmy p. Wtedy

p

0

− p = -

ρg(y

2

− y

1

)

Ponieważ y

2

- y

1

jest głębokością h poniżej poziomu cieczy więc

p = p

0

+

ρgh

(14.3)

Związek ten nie tylko pokazuje, że ciśnienie rośnie wraz z głębokością ale też, że jest
jednakowe dla punktów o tej samej głębokości.
Dla gazów

ρ jest małe i różnica ciśnień w dwóch punktach jest zazwyczaj do pominię-

cia i dlatego można przyjmować, że ciśnienie gazu w naczyniu jest wszędzie jednako-
we. Nie jest to jednak prawdziwe, gdy mamy do czynienia ze znaczną różnicą wysoko-
ści (gdy wznosimy się w atmosferze). Ciśnienie zmienia się wtedy znacznie, zmienia się
też

ρ. Np. na wysokości około 6 km ciśnienie wynosi 0.5 atm. Dla porównania 6 km w

głąb morza wynosi 600 atm.

14-3

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

14.3 Prawo Pascala i prawo Archimedesa

Na rysunku widzimy ciecz w naczyniu zamkniętym tłokiem, na który możemy dzia-

łać ciśnieniem zewnętrznym p

0

.

A

h

p

0

W każdym punkcie A znajdującym się na głębokości h od górnej powierzchni cieczy,
ciśnienie jest dane wyrażeniem

p = p

0

+

ρgh

Możemy powiększyć ciśnienie zewnętrzne o wartość

∆p

0

. Po

p = p

0

+

∆p

0

+

ρgh

ynik ten został sformułowany przez Blaise Pascala i nazywa się

prawem Pascala

.

o Archimedesa

.

nieważ ciecze są nieści-

śliwe więc gęstość pozostaje praktycznie bez zmian i dlatego ciśnienie teraz wynosi

W
Prawo to formułuje się następująco:

ciśnienie wywierane na zamknięty płyn jest przeka-

zywane niezmienione na każdą część płynu oraz na ścianki naczynia

.

Prawo to jest konsekwencją praw mechaniki płynów podobnie jak

praw

Kiedy ciało jest zanurzone w całości lub częściowo w spoczywającym płynie (cieczy
lub gazie) to płyn ten wywiera ciśnienie na każdą, będącą z nim w kontakcie, część po-
wierzchni ciała. Wypadkowa siła jest skierowana ku górze i zwie się

siłą wyporu

.

onieważ ciśnienie wywierane na ciało nie zależy od materiału, z którego zrobiono cia-

P
ło więc zastąpmy w naszym rozumowaniu rozpatrywane ciało przez ten sam płyn co
płyn otoczenia. Na ten płyn będzie działało to samo ciśnienie co na ciało, które zastąpił.

14-4

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

Poza tym płyn będzie nieruchomy. Stąd działająca nań siła będzie równa ciężarowi pły-
nu i skierowana ku górze tak, żeby ten ciężar zrównoważyć. Otrzymujemy

prawo Ar-

chimedesa:

ciało w całości lub częściowo zanurzone w płynie jest wypierane ku górze

siłą równą ciężarowi wypartego przez to ciało płynu

. Tak więc

F

wyporu

= m

wypartego płynu

g =

ρVg

(14.4)

gdzie

ρ jest gęstością płynu, a V objętością części zanurzonej ciała.

14.4 Pomiar

ciśnienia (barometr)

Evangelista Torricelli wynalazł w 1643 r barometr rtęciowy i tym samym podał spo-

sób pomiaru ciśnienia atmosferycznego. Barometr Torricellego składa się z rurki wy-
pełnionej rtęcią (

ρ = 13.6·10

3

kg/m

3

), którą odwracamy nad naczyniem z rtęcią tak jak

na rysunku.

p=0

B

A

h

Ciśnienia w punktach A i B muszą być jednakowe bo punkty te są na jednakowej

wy

p

A

=

ρgh

podczas gdy

p

B

= p

atm

onieważ p

A

= p

B

więc

ρgh = p

atm

sokości. Zgodnie z naszymi uprzednimi rozważaniami

P

g

h

atm

ρ

=

p

= 0.76 m

ierząc wysokość słupa rtęci mierzymy wielkość ciśnienia atmosferycznego.

M
Przejdziemy teraz do opisu ruchu płynu (dynamika płynów).

14-5

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

14.5 Ogólny opis przepływu płynów

Znane są dwa podejścia do opisu ruchu płynu. Pierwsze wymaga "podzielenia" pły-

nu na nieskończenie małe cząstki (elementy objętości) i śledzenie tych elementów.
Oznacza to, że dla każdej cząstki mamy współrzędne x, y, z i ich zależność od czasu. W
ten sposób skonstruować można opis ruchu płynu (Joseph Louis Lagrange koniec XVIII
w).

Drugie podejście zaproponowane przez Leonharda Eulera jest bardziej wygodne.

Zamiast opisywać historię każdej z cząstek określamy gęstość płynu i jego prędkość
w każdym punkcie przestrzeni i w każdej chwili czasu. Czyli podajemy

ρ(x,y,z,t) oraz

v

(x,y,z,t). Oznacza to, że koncentrujemy się na wybranym punkcie przestrzeni w pew-

nym czasie.
Na wstępie rozpatrzmy pewne ogólne właściwości charakteryzujące przepływ.
• Przepływ może być

ustalony

(laminarny) lub

nieustalony

. Ruch płynu jest ustalony,

kiedy prędkość płynu

v

jest w dowolnie wybranym punkcie stała w czasie tzn. każda

cząstka przechodząca przez dany punkt zachowuje się tak samo. Warunki takie osiąga
się przy niskich prędkościach.
• Przepływ może być

wirowy

lub

bezwirowy

. Przepływ jest bezwirowy, gdy w żadnym

punkcie cząstka nie ma wypadkowej prędkości kątowej względem tego punktu. Można
sobie wyobrazić małe kółko z łopatkami zanurzone w przepływającym płynie. Jeżeli
kółko nie obraca się to przepływ jest bezwirowy, w przeciwnym razie ruch jest wirowy.
• Przepływ może być

ściśliwy

lub

nieściśliwy

. Zazwyczaj przepływ cieczy jest nieści-

śliwy (stała

ρ). Przepływ gazu też może być nieściśliwy tzn. zmiany gęstości są nie-

znaczne. Np. ruch powietrza względem skrzydeł samolotu podczas lotu z prędkością
mniejszą od prędkości głosu.
• Przepływ może być

lepki

lub

nielepki

. Lepkość w ruchu płynów jest odpowiedni-

kiem tarcia w ruchu ciał stałych (lepkość smarów).

W naszych rozważaniach ograniczymy się do przepływów ustalonych, bezwirowych,

nieściśliwych i nielepkich. To znacznie upraszcza matematykę.
Nasze rozważania rozpoczniemy od wprowadzenia pojęcia

linii prądu

.

v

P

P

Q

R

V

Q

v

R

W przepływie ustalonym v jest stała w czasie w danym punkcie. Rozważmy punkt P
wewnątrz płynu. Każda cząstka ma tam taką samą prędkość. To samo dla punktów Q
i R. Jeżeli prześledzimy tor jednej cząstki to prześledziliśmy zarazem tor każdej cząstki
przechodzącej przez P. Tor tej cząstki nazywamy linią prądu. Linia prądu jest równole-
gła do prędkości płynu. Żadne linie prądu nie mogą się przecinać bo istniała by niejed-
noznaczność w wyborze drogi przez cząstkę (a przepływ jest ustalony).
Jeżeli wybierzemy pewną skończoną liczbę linii prądu to taką wiązkę nazywamy

strugą

prądu

. Brzegi składają się z linii prądu więc płyn nie może przepływać przez brzegi

strugi. Płyn wchodzący jednym końcem strugi musi opuścić ją drugim.

14-6

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

A

1

P, v

1

A

2

Q, v

2

Na rysunku obok prędkość cząstek w punkcie P wynosi

v

1

a pole przekroju strugi A

1

.

W punkcie Q odpowiednio

v

2

i

A

2

. W czasie

∆t element płynu prze-bywa odległość

v∆t. Masa płynu przechodzącego przez A

1

w czasie

∆t wynosi

∆m

1

=

ρ

1

A

1

v

1

∆t

bo A

1

v

1

∆t stanowi objętość elementu płynu. Wprowadzamy strumień masy jako ∆m/∆t.

Wtedy otrzymujemy dla punktów P i Q odpowiednio

∆m

1

/

∆t =

ρ

1

A

1

v

1

oraz

∆m

2

/

∆t =

ρ

2

A

2

v

2

Ponieważ nie ma po drodze (między P i Q) żadnych "źródeł" ani "ścieków" więc
strumienie mas muszą być sobie równe.

ρ

1

A

1

v

1

=

ρ

2

A

2

v

2

Jeżeli płyn jest nieściśliwy to

ρ

1

=

ρ

2

i wtedy

A

1

v

1

= A

2

v

2

czyli

A

v

= const.

Z równania powyższego wynika, że prędkość płynu nieściśliwego przy ustalonym prze-
pływie jest odwrotnie proporcjonalna do pola przekroju. Linie prądu muszą się zagęsz-
czać w węższej części, a rozrzedzać w szerszej. Tzn. rzadko rozmieszczone linie ozna-
czają obszary niskiej prędkości, linie rozmieszczone gęsto obszary wysokiej prędkości.
Ponadto warto zauważyć, że skoro cząstki zwalniają przepływając z P do Q (

v

1

>

v

2

) to

tam gdzie prędkość najmniejsza (w przepływie ustalonym).

poruszają się ruchem jednostajnie opóźnionym. Opóźnienie to może być wywołane
grawitacją lub różnicą ciśnień, ale wystarczy wziąć jako przykład strugę poziomą, w
której grawitacja się nie zmienia, aby dojść do wniosku, że ciśnienie jest największe

14-7

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

14.6 Równanie

Bernoulliego

Rozważmy nielepki, ustalony, nieściśliwy przepływ płynu przez rurę (rysunek poni-

ronę prawą. W czasie

∆t powierzchnia S

1

przemiesz-

cza się o odcinek

v

1

∆t do położenia S

1

'. Analogicznie powierzchnia S

2

przemieszcza się

o o

żej). Ciecz na rysunku płynie w st

dcinek

v

2

∆t do położenia S

2

'. Na powierzchnię S

1

działa siła F

1

= p

1

S

1

a na po-

wierzchnię S

2

siła F

2

= p

2

S

2

. Zwróćmy uwagę, że efekt sumaryczny przepływu płynu

przez rurkę polega na przeniesieniu pewnej objętości V płynu ograniczonej powierzch-
niami S

1

S

1

' do położenia S

2

S

2

'.

Twierdzenie o pracy i energii mówi, że praca wykonana przez wypadkową

ianie energii układu. Siłami, które wykonują pracę są F

1

i F

2

. Obliczam

siłę jest

równa zm

y więc

racę

ianę

p

V

p

p

t

S

p

t

S

p

t

F

t

F

W

)

(

1

2

1

1

1

2

2

2

1

1

2

2

−

=

∆

−

∆

=

∆

−

∆

=

v

v

v

v

oraz zm

energii strugi













+

−













+

=

1

2

1

2

2

2

2

2

mgh

m

mgh

m

v

v

Ponieważ

to przy założeniu nieściśliwości płynu (

)

∆E

W =

∆E

ρ = const













+









1

2

1

2

−





+

=

−

2

2

2

mgh

m

m

v

v

Związek ten moż

1

2

2

)

(

mgh

V

p

p

na przekształcić do postaci

14-8

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

2

2

2

2

1

1

gh

p

gh

p

ρ

ρ

ρ

+

+

=

+

+

v

czyli

2

1

ρv

2

2

const.

=

+

+

gy

p

ρ

ρ

2

1

v

2

(14.5)

Równanie to nosi nazwę

ływu ustalonego, nielepkiego

nieściśliwego. Jest to podstawowe równanie mechaniki płynów. Może być stosowane

o siła jaka działa na np. skrzydło samolotu, nartę wod-

ną, śmigło helikoptera, i wywołana jest ruchem tych ciał w płynie w odróżnieniu od sta-
tyc

Analizuj

ąt natar-

. Tak więc

równania Bernoulliego

dla przep

i
do wyznaczenia prędkości płynu na podstawie pomiarów ciśnienia (rurka Venturiego,
rurka Pitota). Można też w oparciu o nie wyznaczyć dynamiczną siłę nośną.

14.6.1 Dynamiczna siła nośna

Dynamiczna siła nośna

jest t

znej siły nośnej, która jest siła wyporu działającą np. na balon czy statek zgodnie z

prawem Archimedesa. Na rysunku poniżej pokazane są schematycznie linie prądu wo-
kół skrzydła samolotu.

ąc te linie prądu zauważymy, że ze względu na ustawienie skrzydła (k

cia) linie prądu nad skrzydłem są rozmieszczone gęściej niż pod skrzydłem

v

g

ponad skrzydłem jest większa niż pod skrzydłem

v

d

a to oznacza zgodnie z prawem

Bernoulliego, że ciśnienie nad skrzydłem jest mniejsze od ciśnienia pod skrzydłem i
otrzymujemy wypadkową siłę nośną F skierowaną ku górze. Wynika to również z trze-
ciej zasady dynamiki Newtona. Prędkość

v

0

powietrza zbliżającego się do skrzydła jest

pozioma podczas gdy powietrze za skrzydłem jest skierowane na ukos w dół (składowa
pionowa). Oznacza to, że skrzydło pchnęło powietrze w dół więc w reakcji powietrze
pchnęło skrzydło do góry.

14-9