5.4 Ламінарний та турбулентний режими течії рідин (газів)

Є два режими течії рідини (газу): ламінарний і турбулентний. При ламінарному режимі лінії току на перетинаються (рис.5.7,а) і шари рідини (газу) не перемішуються. При турбулентному режимі шари перемішуються, а лінії току перетинаються як між собою, так і самі себе (рис.5.7,б).

Англійський фізик О. Рейнольдс ввів безрозмірний критерій режиму течії (число Рейнольдса)

, (5.11)

де V – швидкість течії, ℓ - характерний поперечний розмір труби (діаметр для круглих труб, діагональ для прямокутних), ν – кінематична в’язкість - , η – коефіцієнт в’язкості, ρ – густина.

При R_е < 1 режим ламінарний, при R_е > 1 – турбулентний. Слід зауважити, що це не строгий критерій, наприклад, значення R_е = 1,1 ще не означає, що режим течії турбулентний. Потрібні додаткові дослідження. Але при значенні R_е = 2 можна бути впевненим, що режим течії турбулентний.

При русі тіл в рідинах і в газах на них діють дві сили: 1) сила лобового опору F_л.о. направлена проти швидкості; 2) підіймальна сила перпендикулярна до швидкості руху.

При малих швидкостях сила лобового опору зумовлена в основному силами внутрішнього тертя. При великих швидкостях (точніше при великих числах Рейнольдса) переважну роль грає різниця тисків. Попереду тіла тиск більший, ніж позаду (утворюється розрідження) (рис.5.8). Різниця сил тиску направлена проти швидкості.

Сила лобового опору, (5.12)

деS – максимальна площа перерізу тіла площиною, перпендикулярною до вектора швидкості, С_х – коефіцієнт лобового опору, величина стала і залежить від форми тіла і напрямку руху (рис.5.9).

З’ясуємо природу виникнення підіймальної сили крила літака. Профіль крила роблять асиметричним. Тому швидкість потоку повітря над крилом більша, ніж під ним. Крім того за крилом виникає завихрення повітря з напрямком обертання проти годинникової стрілки (рис.5.10). Ці вихрі відносять певний момент імпульсу. У відповідності з законом збереження моменту імпульсу, навколо крила утворюється циркуляційний потік протилежного напрямку обертання (по годинниковій стрілці). Він утворюється із-за наявності сил в’язкості повітря. Цей циркуляційний потік накладається на основний. Швидкість потоку над крилом зростає, а під ним – зменшується. Згідно з рівнянням Бернуллі (5.6) тиск Р_В над крилом буде менший, ніж тиск Р_Н під ним. Різниця тисків і призводить до виникненні підіймальної сили, направленої вгору (точніше в сторону, де швидкість потоку більша).

Аналогічно пояснюється і ефект Магнуса (рис.5.11), який заключається у відхиленні від прямолінійного рух тіла приведеного в обертання. Тіло відхиляється в сторону де основний і циркуляційний потоки співпадають за напрямком.

6. Молекулярна фізика і термодинаміка

6.1 Положення молекулярно-кінетичної теорії та її задача

Молекулярна фізика – це розділ, який вивчає фізичні властивості і агрегатні стани речовин в залежності від їх молекулярної будови і сил взаємодії між молекулами. Вона базується на трьох основних положеннях:

– всі тіла складаються з молекул і атомів;

– молекули і атоми хаотично рухаються;

– між молекулами і атомами існують сили взаємодії.

Молекулярно-кінетична теорія пояснює властивості тіл виходячи с характеру руху молекул і сил взаємодії між ними. Враховуючи, що кількість молекул дуже велика (в 1см³ газу при нормальних умовах міститься 2,69∙10¹⁹молекул), вивчення систем такої великої кількості частинок не можна звести до вивчення руху кожної молекули. В таких системах проявляються специфічні статистичні закономірності. Наприклад, швидкості молекул можуть бути самими різними і знати всі їх значення неможливо, та і безкорисно, тим більше, що вони весь час змінюються при зіткненнях. А ось середнє значення швидкості залишається сталим і характеризує стан системи.

Наприклад, тиск газу зумовлений ударами молекул об стінки посудини зазнає флуктуацій з часом (рис.6.1), але його середнє значення не змінюється і його можна виміряти експериментально. Таким чином, задача молекулярно-кінетичної теорії – це знаходження середніх значень фізичних величин, які характеризують системи великої кількості частинок і які можна виміряти експериментально. Для цього використовується статистичні методи, в основі яких лежить теорія ймовірності.

Системи великої кількості частинок вивчає іще один розділ фізики – термодинаміка. Це вчення про зв’язок і взаємні перетворення енергії, теплоти і роботи. Термодинаміка наука феноменологічна (описова). Вона не дає пояснення тих чи інших явищ, властивостей на молекулярному рівні, а встановлює зв’язок між параметрами системи, наприклад, тиском, об’ємом, температурою, кількістю теплоти, роботою, ентропією, вільною енергією і т.д.

Обидва розділи доповнюють один одного.