background image

 42

3.  Równanie Bernoulliego dla przepływu płynów doskonałych 

 

Równanie Bernoulliego wyraża zasadę, że w ruchu ustalonym nieściśliwego płynu idealnego 

odbywającym się w polu sił ciężkości, całkowita energia płynu składająca się z energii kinetycznej,  
energii potencjalnej ciśnienia i energii położenia jest stała wzdłuż danej linii prądu. 
 
Najczęściej spotykana, algebraiczna postać równania Bernoulliego, wyrażająca zasadę zachowania 
energii mechanicznej przedstawia się następująco: 

const

z

g

p

g

U

=

+

+

ρ

2

2

 

gdzie: 

g

U

2

2

 - 

wysokość prędkości 

g

p

ρ

 - wysokość ciśnienia 

z - 

wysokość położenia (wzniesienie) 

Niewiadomymi w równaniu są prędkość  U i ciśnienie  p, gęstość 

ρ

 jest znana i niezmienna, 

podobnie jak przyspieszenie ziemskie g
Jeżeli uwzględnimy równanie  ciągłości dla przepływu płynów nieściśliwych i przyjmiemy, że 
równanie Bernoulliego ważne jest dla średniej linii prądu, otrzymamy: 

  

 

 

S

1

U

= S

2

U

= ... = Q idem 

 

=

=

+

+

=

+

+

...

2

2

2

2

2

2

1

1

2

1

z

g

p

g

U

z

g

p

g

U

ρ

ρ

const 

 
Rozwiązanie powyższych równań pozwoli nam uzyskać wartości prędkości  średniej i ciśnienia 
panującego w każdym z przekrojów. 
 
Szczególnym przypadkiem prawa zachowania energii, jest prawo Torricellego, określające 
prędkość wypływu cieczy ze zbiornika przez mały otwór w ścianie: 

background image

 43

 

γ

γ

a

a

p

g

U

h

p

g

U

+

=

+

+

2

2

2

2

2

1

 

gdzie: 

g

=

ρ

γ

- ciężar właściwy w N/m

3

 

Z równania ciągłości dla obu przekrojów mamy: 

1

2

1

2

2

2

1

1

U

S

S

U

S

U

S

U

=

=

 

Jeżeli pole przekroju zbiornika jest znacznie większe od pola przekroju wylotu otworu wtedy 
możemy pominąć 

U

1

 i określić prędkość wypływu 

U

2

 jako: 

 

gh

U

2

2

=

 

 
Powyższa zależność została wyznaczona dla przypadku, w którym na powierzchni zbiornika jak i w 
przestrzeni do której odbywał się wypływ, panowało ciśnienie atmosferyczne. Prawo Torricellego 
można również odnieść do przypadku przepływu cieczy ze zbiornika A do B, w których występują 
różne ciśnienia. 
 





+

=

h

p

p

g

U

B

A

γ

2

2

 

 

Wartości prędkości wypływu np. wody i oleju obliczone z prawa Torricellego są takie same, 
ponieważ prawo dotyczy przepływu płynu doskonałego i nie uwzględnia strat przepływu 
występujących między przekrojami kontrolnymi, spowodowanych lepkością  płynu. W przypadku 
płynów lepkich prędkość wypływu jest mniejsza od teoretycznej, a związek pomiędzy prędkością 
rzeczywistą U

rz

 a teoretyczną przyjęto wyrażać w formie iloczynu: 

U

U

rz

=

α

 

w którym 

α

 jest współczynnikiem prędkości, wartość którego zawiera się w granicach 

α

 = 0.96 

÷ 

0.99.  
Bezwładność poruszających się elementów płynu powoduje, że w niewielkiej odległości za 
otworem występuje przewężenie strumienia. Zjawisko to nazywane jest kontrakcją strumienia, a 
ilościowo określa je bezwymiarowy współczynnik kontrakcji 

β

, będący ilorazem najmniejszego 

przekroju strumienia f

0

 do przekroju otworu f:  

f

f

0

=

β

background image

 44

Wartość współczynnika kontrakcji uzależniona jest głównie od ostrości krawędzi otworu, a także 
od kształtu i usytuowania otworu. Dla otworów kołowych o ostrych krawędziach współczynnik 
kontrakcji zawiera się w granicach 

β

 = 0.60 

÷ 0.64. 

Mniejsze wartości rzeczywistej prędkości wypływu U

rz

 i pola przekroju strumienia f

0

 powodują, że 

i rzeczywisty strumień objętości cieczy wypływającej przez mały otwór jest mniejszy od 
teoretycznego. Iloraz rzeczywistego strumienia objętości do strumienia teoretycznego nazywamy 
współczynnikiem przepływu

V

V

rz

&

&

=

µ

W prosty sposób można udowodnić, że: 

β

α

µ

=

Wartość współczynnika przepływu przy wypływie z otworu o ostrych krawędziach zależy głównie 
od wartości współczynnika kontrakcji i mieści się w granicach 

µ = 0.60 ÷ 0.62. 

 
PRZYKŁADOWE ZADANIA 
 
Zadanie 3.1  
(poz. bibl. [3], zad. 3.1.1, str. 47) 

Obliczyć, z jaką prędkością  U

1

  będzie przepływać woda przez 

mały otwór znajdujący się w ściance zbiornika. Nad zwierciadłem 
wody w zbiorniku i na wylocie z otworu panuje ciśnienie 
atmosferyczne. Otwór znajduje się ma wysokości = 5 m. Poziom 
wody w zbiorniku jest stały. 

 
Dane:   

 

 

 

 

Wyznaczyć: 

p

0

 = p

1

 = p

a 

 

 

 

 

U

1

 

h = 5 m 

 

 

 

 

 

 

Rozwiązanie: 

Obierzmy dwa przekroje: 0-0 na powierzchni cieczy oraz 1-1 na wylocie ze zbiornika. Dla tych 
dwóch przekrojów ułożymy równanie Bernoulliego. Jako poziom odniesienia przyjmijmy oś 
otworu: 

1

1

2

1

0

0

2

0

2

2

z

g

p

g

U

z

g

p

g

U

+

+

=

+

+

ρ

ρ

 

gdzie p

= p

= p

a

z

= hz

1

 

= 0. W przypadku h = const prędkość U

= const. Po uwzględnieniu 

tych warunków równanie przybierze postać 

 

0

2

2

0

2

1

+

+

=

+

+

g

p

g

U

h

g

p

g

a

a

ρ

ρ

 

skąd 

s

m

gh

U

h

g

U

9

.

9

5

81

.

9

2

2

,

2

1

2

1

=

=

=

=

 

background image

 45

 
Zadanie 3.2 

(poz. bibl. [3], zad. 3.1.2, str. 48)

 

Z dużego otwartego zbiornika wypływa woda przez 
przewód składający się z dwóch odcinków o średnicach 
d

1

 

= 30 mm, d

2

 

= 20 mm. Oś przewodu znajduje się w 

odległości  h = 4 m od zwierciadła wody w zbiorniku. 
Obliczyć prędkości U

1

U

2

 oraz ciśnienia p

1

 i p

2

 panujące 

w określonych odcinkach przewodu. Ciśnienie 
atmosferyczne p

a

 

= 100 kN/m

2

 
Dane:  

 

    Wyznaczyć: 

d

1

 = 30 mm   

 

 

U

1

U

2

, p

1

, p

2

 

d

2

 = 20 mm 

h = 4 m 
p

a

=100 kN/m

2

 

=100000 

Pa 

      

Rozwiązanie: 

Obieramy dwa przekroje: 0-0 na powierzchni wody w zbiorniku i 2-2 na wylocie. Układamy dla 
nich równanie Bernoulliego: 

0

2

2

2

2

2

0

+

+

=

+

+

g

p

g

U

h

g

p

g

U

a

a

ρ

ρ

 

 

W równaniu tym mamy dwie niewiadome prędkości: U

0

 i U

2

. W przypadku dużego zbiornika 

można przyjąć U

0

 = 0. Przy tym założeniu znajdziemy: 

s

m

gh

U

85

.

8

4

81

.

9

2

2

2

=

=

=

 

 

Prędkość U

1

 obliczamy z równania ciągłości: 

2

1

Q

Q

=

 

gdzie Q

1

=(πd

1

2

/4)U

1

 – strumień objętości w przewodzie o średnicy d

1

Q

2

=(πd

2

2

/4)U

- strumień 

objętości w przewodzie o średnicy d

2

, a więc: 

,

4

4

2

2

2

1

2

1

U

d

U

d

π

π

=

 

skąd 

s

m

d

d

U

U

94

.

3

03

.

0

02

.

0

85

.

8

2

2

1

2

2

1

=

=





=

 

Aby obliczyć ciśnienie  p

1

 w przewodzie o średnicy  d

1

, obieramy dodatkowy przekrój 1-1 i 

układamy równanie Bernoulliego dla przekrojów 0-0 oraz 1-1: 

0

2

2

1

2

1

2

0

+

+

=

+

+

g

p

g

U

h

g

p

g

U

a

ρ

ρ

 

Z równania tego, przyjmując U

0

 

= 0, znajdziemy p

1

g

U

g

p

h

g

p

a

2

2

1

1

+

=

ρ

ρ

 

 

=

+

=

+

=

2

94

.

3

1000

100000

4

81

.

9

1000

2

2

2

1

1

U

p

h

g

p

a

ρ

ρ

 

2

1

.

132

m

kN

=

  

(ciśnienie absolutne) 

 

background image

 46

lub  

p

1n

 = 32100 N/m

2

  

(nadciśnienie). 

W analogiczny sposób obliczamy ciśnienie p

2

 

2

2

2

2

2

100

2

85

.

8

1000

100000

4

81

.

9

1000

2

m

kN

U

p

h

g

p

a

=

+

=

+

=

ρ

ρ

 

lub p

2n

 = 0  

(nadciśnienie). 

 
Zadanie 3.3 

(poz. bibl. [3], zad. 3.1.3, str. 48)

 

Tunel aerodynamiczny z otwartą częścią pomiarową ma wylot o 
średnicy  d  = 500 mm. Do szerokiej części tunelu o średnicy  D  
1200 mm podłączono wodny manometr U-rurkowy. Znaleźć 
prędkość powietrza U w części pomiarowej tunelu, jeśli wskazanie 
manometru wynosi H  = 200 mm. Gęstość powietrza ρ

= 1.29 

kg/m

3

. Pominąć straty tarcia. 

 
Dane:  

 

     Wyznaczyć: 

d = 500 mm   

 

 

 

= 1200 mm 
H = 200 mm 
ρ

= 1.29 kg/m

3

 

Rozwiązanie: 

Obieramy dwa przekroje kontrolne: 1-1 w miejscu podłączenia manometru do szerokiej części 
tunelu oraz 2-2 w przestrzeni pomiarowej. Dla tych dwóch przekrojów układamy równanie 
Bernoulliego:  
 

g

p

g

U

g

p

g

U

p

a

p

+

=

+

ρ

ρ

2

2

2

2

1

2

1

 

 
W równaniu tym pominięto wysokość położenia  z, gdyż obrana struga jest pozioma. 
Niewiadomymi wielkościami są U

1

, U

2

 i p

1

Z równania ciągłości: 

2

1

Q

Q

=

 

 

2

2

1

2

4

4

U

d

U

D

π

π

=

 

otrzymujemy: 

2

2

1

=

D

d

U

U

 

 
Podstawiając wyrażenie na U

1

 do równania Bernoulliego znajdziemy: 

 

(

)

p

a

D

d

p

p

U

U

ρ



=

=

4

1

2

1

2

 

Różnica ciśnień: 

.

1

g

H

p

p

w

a

=

ρ

 

 

background image

 47

Ostatecznie: 

.

32

29

.

1

2

.

1

5

.

0

1

1000

2

.

0

81

.

9

2

1

2

4

4

2

s

m

D

d

H

g

U

p

w

=



=



=

ρ

ρ

 

 

 
Zadanie 3.4 

(poz. bibl. [3], zad. 3.1.4, str. 48)

 

Dwa zbiorniki wypełnione wodą połączono 
przewodem o średnicy  d  = 50 mm. Obliczyć 
strumień objętości wody przepływającej z lewego 
zbiornika do prawego, jeśli różnica poziomów 
wody w zbiornikach jest stała i wynosi = 2.1 m. 
Wodę traktować jako płyn idealny (pominąć straty 
tarcia). 
 
Dane:  

 

     Wyznaczyć: 

d = 50 mm 

 

 

 

 

Q

1

 

H = 2.1 m 

Rozwiązanie:  

Obieramy pierwszy przekrój kontrolny 0-0 na poziomie zwierciadła wody w lewym zbiorniku, a 
przekrój drugi 1-1 na wylocie z przewodu do zbiornika prawego. Wprowadzamy dodatkową 
niewiadomą h; jest to głębokość zanurzenia wylotu przewodu do zbiornika prawego. Układamy dla 
tych przekrojów równanie Bernoulliego. Za poziom odniesienia przyjmujemy poziom wylotu z 
przewodu. 

.

0

2

2

2

1

2

0

+

+

+

=

+

+

+

g

g

h

p

g

U

h

H

g

p

g

U

a

a

ρ

ρ

ρ

 

Jeśli H = const, to prędkość U

0

 

= 0. Otrzymujemy wtedy: 

 

g

g

h

p

g

U

h

H

g

p

a

a

+

+

=

+

+

ρ

ρ

ρ

2

2

1

 

 
Po uproszczeniu widzimy, że wprowadzona wielkość h zredukowała się, a prędkość:  
 

.

2

1

gH

U

=

 

Strumień objętości: 

s

dm

s

m

gH

d

U

S

Q

3

3

2

2

1

6

.

12

0126

.

0

1

.

2

81

.

9

2

4

05

.

0

2

4

=

=

=

=

=

π

π

 

 
Zadanie 3.5 

(poz. bibl. [3], zad. 3.1.11, str. 50)

 

W zbiorniku znajduje się woda, która wypływa przez 
przewód pionowo do góry. Odległość między 
poziomem cieczy w zbiorniku a wylotem H

 

= 2 m. 

Nadciśnienie panujące w zbiorniku p

= 50 kN/m

2

Obliczyć prędkość wypływu wody oraz wysokość na 
jaką wzniesie się strumień. Przekrój 2-2 obrany jest na 
takiej wysokości, aby prędkość U

= 0. Wodę traktować 

jako płyn idealny (straty tarcia w przewodzie oraz opór 
powietrza pominąć). Gęstość wody przyjąć ρ = 1000 kg/m

3

background image

 48

 
Dane:  

 

     Wyznaczyć: 

H

 

= 2 m 

 

 

 

 

U

1

p

= 50 kN/m

2

 

U

0 

ρ = 1000 kg/m

3

 

Rozwiązanie 

a) Dla przekrojów 0-0 i 1-1 z równania Bernoulliego określamy prędkość  U

1

  przy założeniu  że 

poziom odniesienia znajduje się na poziomie wylotu z przewodu: 

g

p

g

U

H

g

p

p

g

U

a

n

a

+

=

+

+

+

ρ

ρ

2

2

2

1

2

0

 

Dla H

 

const U

= 0, zatem: 





+

=

g

p

H

g

U

n

ρ

2

1

 

 

b) Wysokość h obliczamy z równania Bernoulliego ułożonego dla przekrojów 1-1 i 2-2: 

 

,

2

2

2

2

2

1

h

g

p

g

U

g

p

g

U

a

a

+

+

=

+

ρ

ρ

 

skąd: 

 

.

7

81

.

9

1000

50000

2

2

2

1

m

g

p

H

g

U

h

n

+

=

+

=

=

ρ

 

 

 
Zadanie 3.6 

(poz. bibl. [3], zad. 3.1.15, str. 51)

 

Woda z lewego zbiornika przepływa przez otwór w bocznej 
ściance o średnicy  d

1

 do prawego zbiornika, z którego z kolei 

przez otwór o średnicy  d

2

 do atmosfery. Mając stałą różnicę 

poziomów wody w zbiornikach H  = 1 m oraz głębokość 
zanurzenia drugiego otworu h

= 1.5 m, obliczyć prędkość 

przepływu w poszczególnych otworach oraz stosunek średnic. 
Wodę traktować jako płyn idealny (pominąć straty tarcia). 
 

Dane:  

 

     Wyznaczyć: 

 

= 1 m 

 

 

 

 

U

1

, U

2

, d

1

/d

2

 

h

= 1.5 m, 

Rozwiązanie:  

 

Układamy równania Bernoulliego: 
a) Dla przekrojów 0-0 i 1-1: 

,

2

2

2

1

2

0

g

h

g

p

g

U

h

H

g

p

g

U

a

a

+

+

=

+

+

+

ρ

ρ

ρ

 

 
przy czym U

0

 = 0, h – założona głębokość położenia otworu o średnicy d

1

; stąd: 

 

,

4

.

4

1

81

.

9

2

2

1

s

m

gH

U

=

=

=

 

background image

 49

b) Dla przekrojów 3-3 i 2-2 
 

,

2

2

2

2

2

2

3

g

p

g

U

h

g

p

g

U

a

a

+

=

+

+

ρ

ρ

 

U

3

 = 0, zatem: 

s

m

gh

U

45

.

5

5

.

1

81

.

9

2

2

2

2

=

=

=

 

 
c) Z równania ciągłości znajdziemy: 
 

11

.

1

4

.

4

45

.

5

1

2

2

1

=

=

=

U

U

d

d

 

 
 
Zadanie 3.7 

(poz. bibl. [3], zad. 3.1.18, str. 52)

 

Ze zbiornika prostokątnego o przekroju a×b = 2 m ×1.2 m 
przez przewód wypływa woda do atmosfery. Wysokość 
wody w zbiorniku H

 

= 1.2 m. Średnice przewodu: d

= 100 

mm, d

= 70 mm, d

= 50 mm. Określić strumień objętości 

wypływającej wody i ciśnienia w przekrojach 1-1 i 2-2. 
Płyn jest doskonały (h

1  

= 0.5 m i h 

= 2.4 m). 

 
Dane:  

 

     Wyznaczyć: 

 

= 2 m, b = 1.2 m   

 

 

Q, p

1

, p

2

 

 

= 1.5 m 
d

= 100 mm 

d

= 70 mm 

d

= 50 mm 

h

1  

= 0.5 m 

= 2.4 m 

 

 

 

Rozwiązanie: 

a) Równanie Bernoulliego dla przekrojów 0-0 i 3-3: 

.

2

)

(

2

3

2

3

2

1

0

2

0

g

p

g

U

h

h

H

g

p

g

U

+

=

+

+

+

+

ρ

ρ

 

 
Ponieważ p

= p

= p

a

, równanie to uprości się do postaci: 

.

2

2

2

3

2

1

2

0

g

U

h

h

H

g

U

=

+

+

+

 

 
Z równania ciągłości S

0

ּU

= S

3

ּU

3

 znajdziemy: 

 

.

4

2

3

3

0

3

3

0

b

a

d

U

S

S

U

U

=

=

π

 

 
Podstawiamy do równania Bernoulliego: 
 

background image

 50

g

u

h

h

H

ab

d

g

u

2

4

2

2

3

2

1

2

2

3

2

3

=

+

+

+





π

 

,

4

1

2

2

1

2

2

3

2

3

h

h

H

ab

d

g

u

+

+

=





π

 

skąd: 

(

)

(

)

s

m

b

a

d

h

h

H

g

U

29

.

9

9999

.

0

328

.

86

2

.

1

2

4

05

.

0

1

4

.

2

5

.

0

5

.

1

81

.

9

2

4

1

2

2

2

2

2

3

2

1

3

=

=

+

+

=



+

+

=

π

π

 

Strumień objętości wyniesie:  

s

m

U

d

U

S

Q

U

3

3

2

3

3

3

0182

.

0

29

.

9

001963

.

0

4

=

=

=

=

π

 

b) Prędkości w poszczególnych odcinkach przewodu: 
 

,

74

.

4

07

.

0

05

.

0

29

.

9

2

2

2

3

3

2

s

m

d

d

U

U

=

=





=

 

 

.

32

.

2

1

.

0

05

.

0

29

.

9

2

2

1

3

3

1

s

m

d

d

U

U

=

=





=

 

 
c) Ciśnienia w przekrojach 2-2 i 1-1: 
Z równania Bernoulliego dla przekrojów 2-2 i 3-3: 

 

,

,

2

2

3

3

2

3

2

2

2

2

a

p

p

gdzie

g

p

g

U

h

g

p

g

U

=

+

=

+

+

ρ

ρ

 

 

a

p

h

g

U

U

p

+

=

2

2

2

2

3

2

2

)

(

ρ

ρ

 

Pa

p

108372

100000

23544

31916

100000

4

.

2

81

.

9

1000

2

)

74

.

4

29

.

9

(

1000

2

2

2

=

+

=

+

=

 

Z równania Bernoulliego dla przekrojów 1-1 i 3-3: 
 

(

)

a

p

h

h

g

U

U

p

+

+

=

2

1

2

1

2

3

1

2

)

(

ρ

ρ

 

(

)

Pa

p

113510

100000

28449

41959

100000

4

.

2

5

.

0

81

.

9

1000

2

)

32

.

2

29

.

9

(

1000

2

2

1

=

+

=

+

+

=

 

 
 
 
 
 
 

background image

 51

Zadanie 3.8 

(poz. bibl. [3], zad. 3.1.10, str. 50)

 

Woda o temperaturze = 40 

0

C wypływa ze zbiornika przez przewód z 

przewężeniem. Obliczyć stosunek średnic  d/D, dla którego wystąpi 
kawitacja w przewężeniu przewodu. Przyjąć H

 

= 400 mm, h

 

= 800 mm, 

p

= 90 kN/m

2

. Dla wody o temperaturze 40 

0

C ciśnienie wrzenia wynosi 

p

= 7520 N/m

2

 
Dane:  

 

     Wyznaczyć: 

H

 

400 

mm 

    d/D 

 

= 800 mm 

p

= 90 kN/m

2

 

p

= 7520 N/m

2

 

Rozwiązanie: 

Obieramy przekroje: 0-0 na powierzchni zwierciadła wody, 1-1 w przewężeniu, i 2-2 na wylocie do 
atmosfery. Z równania ciągłości mamy: 

1

2

2

2

1

2

2

1

4

4

U

U

D

d

U

D

U

d

Q

Q

=

=

=

π

π

 

 

Z równania Bernoulliego dla przekrojów 0-0 i 2-2 wyznaczamy U

2

 

g

p

g

U

h

H

g

p

g

U

a

a

ρ

ρ

+

=

+

+

+

2

2

2

2

2

0

Przy założeniu, że U

0

 = 0 mamy: 

)

(

2

2

h

H

g

U

+

=

 

 
Z równania Bernoulliego dla przekrojów 0-0 i 1-1 wyznaczamy U

przy założeniu że ciśnienie w 

tym przekroju równe jest ciśnieniu wrzenia p

w





+

+

=

+

=

+

+

+

g

p

p

h

H

g

U

g

p

g

U

h

H

g

p

g

U

w

a

w

a

ρ

ρ

ρ

2

2

2

2

2

1

2

1

2

0

 

Stosunek średnic wyniesie wtedy: 

64

,

0

2

4

=

+

+

+

=

g

p

p

h

H

h

H

D

d

w

a

ρ

 

 
 
 
 
 

background image

 52

Zadanie 3.9 

(poz. bibl. [3], zad. 3.1.13, str. 50)

 

Woda ze zbiornika wypływa przez przewód rozgałęziający. 
Średnice rozgałęzień przewodów wylotowych są równe i 
wynoszą  d  = 25 mm. Odległość  h  = 1,2 m. Jaka musi być 
wysokość  H wody w zbiorniku, aby strumień objętości 
wody wypływającej przez przewód górny był dwa razy 
mniejszy od strumienia objętości wody płynącej przez 
przewód dolny. Obliczyć strumienie objętości  Q

1

 i Q

2

Wodę traktować jako płyn idealny (pominąć straty tarcia). 
 

Dane:  

 

     Wyznaczyć: 

25 

mm 

    H, Q

1

,  Q

2

= 1,2 m  
Q

2

 = 2 Q

1

  

Rozwiązanie: 

 
Równanie Bernoulliego dla przekrojów 0-0 i 1-1: 

h

g

p

g

U

H

g

p

g

U

a

a

+

+

=

+

+

ρ

ρ

2

2

2

1

2

0

 

Zakładając, że U

= 0, U

1

 wynosi: 

)

(

2

1

h

H

g

U

=

 

 

Z równanie Bernoulliego dla przekrojów 0-0 i 2-2 otrzymamy U

2

)

(

2

2

h

H

g

U

+

=

 

 

Wysokość H wyliczamy z zależności między strumieniami objętości: 

Q

= 2ּQ

1,

 

)

(

2

4

2

)

(

2

4

2

2

h

H

g

d

h

H

g

d

=

+

π

π

 

 

Stąd: 

m

h

H

2

3

5 =

=

 

Strumienie objętości wyniosą: 

s

dm

h

H

g

d

U

d

Q

s

dm

h

H

g

d

U

d

Q

3

2

2

2

2

3

2

1

2

1

89

,

3

)

(

2

4

4

95

,

1

)

(

2

4

4

=

+

=

=

=

=

=

π

π

π

π

 

 
 
Zadanie 3.10 

 

W dnie stalowego zbiornika znajduje się ostrokrawędziowy otwór o średnicy d = 2 cm przez który 
wypływa woda. Poziom wody w zbiorniku jest stały i znajduje się na wysokości h = 1.5 m od dna. 
Wyznaczyć współczynnik przepływu jeżeli wiadomo, że w ciągu 5-ci minut wypłynęło ze zbiornika 
330 litrów wody. Obliczyć współczynnik kontrakcji otworu przy założeniu,  że współczynnik 
prędkości wynosi 

α

 = 0.95. 

background image

 53

Dane:  

 

     Wyznaczyć: 

= 2 cm 

 

 

 

 

µ, β 

= 1,5 m  
t  = 5 min 
= 330 l  
α 
= 0.95 

Rozwiązanie: 

Współczynnik przepływu obliczamy ze wzoru definicyjnego: 

 

V

V

rz

&

&

=

µ

Rzeczywisty strumień objętości wynosi: 

s

m

t

V

V

rz

3

3

0011

.

0

60

5

10

330

=

=

=

&

Strumień objętości teoretyczny liczymy jako iloczyn pola otworu i prędkości teoretycznej 
obliczonej ze wzoru Torricellego: 

s

m

gh

d

U

f

V

3

2

2

0017

.

0

42

.

5

000314

.

0

5

.

1

81

.

9

2

4

02

.

0

14

.

3

2

4

=

=

=

=

=

π

&

Wtedy: 

65

.

0

647

.

0

0017

.

0

0011

.

0

=

=

µ

 

Współczynnik kontrakcji liczymy z kolei ze wzoru: 

68

.

0

684

.

0

95

.

0

65

.

0

=

=

=

α

µ

β

 

 
 
ZADANIA DO SAMODZIELNEGO ROZWIĄZANIA 
 
Zadanie 3.11 

(poz. bibl. [3], zad. 3.2.5, str. 55)

 

W przewód o średnicy  D = 100 mm wstawiono zwężkę 
Venturiego. Do zwężki podłączono manometr rtęciowy. 
Obliczyć strumień objętości wody przepływającej przez 
przewód jeśli różnica poziomów rtęci w manometrze H = 
200 mm. Nad rtęcią w jednym i drugim ramieniu znajduje 
się woda. Średnica przewężenia zwężki d = 50 mm. 
 
Odpowiedź: 

Q = 0.01429 m

3

/s 

 
 
Zadanie 3.12 

(poz. bibl. [3], zad. 3.2.4, str. 55)

 

W celu zmierzenia prędkości przepływających przez przewód spalin 
wstawiono do niego statyczną rurkę Pitota i podłączono ją do 
manometru spirytusowego. Różnica poziomów wynosił H = 5 mm. 
Temperatura spalin t = 400 

o

C. Gęstość spalin w warunkach 

normalnych 

ρ

0

 = 1.29 kg/m

3

. (Średnica  d rurki Pitota jest dużo 

mniejsza od średnicy przewodu D). Przyjąć 

ρ

m

 = 827 kg/m

3

Wskazówka: W warunkach normalnych: t = 0 

o

C, p = 760 mm Hg 

(1013 hPa). 
 
Odpowiedź: 

U

0

 = 12.45 m/s 

 

background image

 54

 
Zadanie 3.13 

(poz. bibl. [3], zad. 3.2.3, str. 54)

 

Określić strumień objętości Q za pomocą zwężki Venturiego o 
wymiarach D = 100 mm, d = 50 mm wstawionej do poziomego 
przewodu którym płynie woda, jeśli różnica wskazań ciśnień 
na wlocie do zwężki i w przewężeniu wynosi H = 50 mm. 
 
Odpowiedź: 

Q = 2 dm

3

/s 

 
 
 
Zadanie 3.14 

(poz. bibl. [3], zad. 3.2.9, str. 56)

 

Na jaką wysokość h podniesie się rtęć w rurce podłączonej jednym 
końcem do zwężki Venturiego a drugim do otwartego naczynia z 
rtęcią, jeśli zwężkę umieścimy w powietrzu przepływającym z 
prędkością U = 40 m/s. Wymiary zwężki: D = 80 mm, d = 40 mm.  
 
Odpowiedź: 

h = 0.114 m 

 
 
 
 
 
Zadanie 3.15 

(poz. bibl. [6], zad. 3.1.6, str. 42)

 

W dnie naczynia cylindrycznego o średnicy D znajduje się otwór którego 
średnica jest równa d. Nad cieczą wypełniającą naczynie umieszczono tłok 
o ciężarze G, poruszający się szczelnie lecz bez tarcia. Pomijając straty w 
otworze wypływowym, określić zależność pomiędzy prędkością  U

1

 

wypływającej cieczy a położeniem tłoka h. Przyjąć gęstość cieczy równą 
ρ.    
 

Odpowiedź: 

4

4

2

1

1

4

2

D

d

D

G

g

h

U





+

=

ρ

π

 

 
Zadanie 3.16 

(poz. bibl. [6], zad. 3.1.21, str. 48)

 

Ze zbiornika ciśnieniowego wypływa woda (o 
temperaturze T = 313 K) przez przewód o średnicy D, w 
którym znajduje się przewężenie. Średnica przewężenia d 
= 0.8D. Przy jakim nadciśnieniu  p

n

 panującym w 

zbiorniku, może wystąpić zjawisko kawitacji? Przyjąć: 
wysokość poziomu cieczy w zbiorniku H = 1.2 m, 
ciśnienie wrzenia wody w danej temperaturze p

w

 = 7.5 

kPa, ciśnienie barometryczne p

a

 = 101 kPa oraz gęstość 

wody ρ = 1000 kg/m

3

. Wszystkie straty pominąć. 

 
Odpowiedź:

(

)

kPa

H

g

p

p

p

w

a

n

53

6938

.

0

=

=

ρ

 

 
 

background image

 55

Zadanie 3.17 

(poz. bibl. [3], zad. 3.1.6, str. 49)

 

Woda z większego zbiornika przepływa do zbiornika mniejszego 
za pomocą lewara. Różnica poziomów wody w zbiornikach 
wynosi  h = 3 m. Kolano lewara znajduje się na wysokości  H = 6 
m. Wyznaczyć: a) jaka musi być średnica przewodu, aby strumień 
objętości wody wynosił Q = 27.8 dm

3

/s, b) jakie ciśnienie panuje 

w kolanie lewara. 
 
 
 
Odpowiedź: 

a) d = 68 mm, b) ciśnienie absolutne p

2

 = 41140 Pa.  

 
 
 
 
Zadanie 3.18 

(poz. bibl. [3], zad. 3.1.8, str. 49)

 

Na cylindrycznej części wlotu do wentylatora o średnicy D = 200 
mm, zasysającego powietrze z atmosfery, umieszczono szklaną 
rurkę, której drugi koniec jest zatopiony w naczyniu z wodą. 
Obliczyć strumień objętości powietrza przepływającego przez 
wentylator jeśli woda w rurce podniosła się do wysokości  h = 
250 mm. Gęstość powietrza ρ

p

 = 1.29 kg/m

3

 
 
Odpowiedź: 

Q = 1.94 m

3

/s. 

 
Zadanie 3.19 
Ciecz o gęstości  ρ płynie wzdłuż poziomego rurociągu 
o zwężającym się przekroju jak na rysunku. Do 
rurociągu podłączono manometr różnicowy rtęciowy 
mierzący różnicę ciśnień przed i za przewężeniem, 
którego wskazanie wynosi H. Obliczyć strumień 
objętości cieczy przepływającej przez rurociąg. 
 

Odpowiedź: 

(

)

ρ

ρ

π

=

m

gH

d

Q

15

2

2

 
Zadanie 3.20 
W  ścianie otwartego zbiornika znajduje się mały prostokątny otwór o wymiarach 2 cm 

× 1 cm 

zanurzony na głębokość h = 1 m poniżej zwierciadła, przez który wypływa woda. Obliczyć, jaka 
objętość teoretyczna wody wypłynie przez ten otwór w czasie 1 minuty. O ile litrów będzie 
mniejsza objętość rzeczywista przy założeniu, że współczynnik przepływu wynosi 

µ

 = 0.64. 

 
Odpowiedź: 

V = 53 l, 

V = 19 l.