Опыт 8.3. Смерч в воронке с водой

Цель работы: продемонстрировать опыт вытекания жидкости из сосуда с отверстием в дне.

Оборудование:

1. Воронка.

2. Вода.

Рис. 136. Воронка с водой

Ход работы

Известно, что вытекание жидкости из сосуда с отверстием в дне, например из ванны, неустойчиво по отношению к образованию вихрей. Особенно хорошо этот эффект можно продемонстрировать на примере вытекания жидкости из воронки с водой.

1. Заполним воронку, заткнутую снизу, водой. Если при заполнении обеспечить вращение жидкости с некоторой скоростью вокруг оси воронки, то образование вихря при вытекании жидкости будет облегчено.

2. Заполнили воронку, закрыли воду.

3. Открываем нижнее отверстие. Мы наблюдаем, как развивается вихревой процесс. Вихрь, образовавшийся в воронке, очень напоминает те смерчи, которые часто образуются в плохую погоду во время урагана.

4. Наблюдаем образование вихря в воронке с водой сверху.

5. Затыкаем воронку, напускаем в нее воду, слегка закручивая воду в воронке при напускании.

6. Закрываем воду, открываем отверстие в воронке. Образуется вихрь.

Вывод: продемонстрировали опыт. Вытекание жидкости из сосуда с отверстием в дне, неустойчиво по отношению к образованию вихрей.

Опыт 8.4. Ламинарное течение (фазовая память)

Цель работы: определить основное свойство ламинарного течения.

Оборудование:

1. Прозрачный цилиндр из оргстекла.

2. Цилиндрическая стеклянная вставка.

3. Глицерин.

4. Шприц с подкрашенным глицерином.

Рис. 137. Оборудование

Ход работы

1. Выдавливаем в цилиндр полоску подкрашенного глицерина.

Рис. 138. Изначальный вид полоски подкрашенного глицерина

2. Вращаем ручку, совершая, допустим, пять полных оборотов. Наблюдаем, что подкрашенный глицерин «размазался».

Рис. 139. Вид полоски подкрашенного глицерина после нескольких оборотов

3. Затем вращаем ручку на то же количество оборотов в обратном направлении. Наблюдаем, что полоска подкрашенного глицерина восстановилась.

Рис. 140. Восстановленная полоска подкрашенного глицерина

Вывод: при ламинарном течении жидкости ее слои движутся, не перемешиваясь относительно друг друга. Это приводит к интересной особенности ламинарного течения. Если провести все процессы в жидкости при ламинарном течении в обратном порядке, то картина расположения частиц жидкости друг относительно друга полностью повторится, то есть ламинарное течение обратимо.

Опыт 8.5. Диск Рэлея

Цель работы: продемонстрировать опыт с диском Рэлея.

Оборудование:

1. Диск Рэлея.

2. Вентилятор.

Рис. 141. Диск Рэлея

Ход работы

Диск Рэлея представляет собой легкий металлический диск, который может свободно вращаться вокруг вертикальной оси. Его характерной особенностью является то, что он всегда устанавливается перпендикулярно потоку воздуха, обтекающего этот диск. Это происходит из-за того, что только при перпендикулярном расположении диска обтекание является симметричными и не возникает вращающего момента.

1. Включаем вентилятор. Положение диска вдоль потока является неустойчивым, и диск разворачивается поперек потоку.

2. Выведем его из этого положения. Он обратно возвращается и становится перпендикулярно потоку.

3. Наклоним его в другую сторону. Диск опять возвращается в перпендикулярное положение.

4. Положение его вдоль потока также неустойчиво.

Вывод: диск всегда устанавливается перпендикулярно потоку воздуха, обтекающему его. Это происходит из-за того, что только при перпендикулярном расположении диска обтекание является симметричными и не возникает вращающего момента.

Характер течения зависит от значения безразмерной величины, называемой числом Рейнольдса Re:

, (175)

где ρ – плотность жидкости (газа);

v – средняя скорость потока;

ℓ – геометрический размер сечения;

η – вязкость.

При малых Re – ламинарное течение, при больших – турбулентное.

Величина в уравнении (175) называется кинематической вязкостью ν: