5.3.3 Застосування наслідків з рівняння Бернуллі в техніці

Той факт, що збільшення швидкості струмини рідини чи газу приводить до зменшення статичного тиску, знаходить велике застосування у техніці. Наприклад, їдучи на автомобілі, ми навіть не задумуємось, як працює його двигун і що його неперервне забезпечення паливом здійснює порівняно невеликий пристрій – карбюратор. В карбюраторі (від французького carburation – змішування) відбувається змішування рідкого палива з повітрям і в результаті утворюється газоподібна паливна суміш.

На рис.5.3.4 наведено принципову схему карбюратора. Повітря, яке засмоктується поршнем двигуна у широкій частині карбюратора має певну швидкість . Це повітря, проходячи через вузьку частину труби карбюратора, збільшує швидкість до , що приводить до зменшення тиску у струмені повітря (наслідок з рівняння Бернуллі). У цю зону зменшеного тиску засмоктується паливо з так званої поплавкової камери, у якій постійно підтримується необхідний рівень рідкого палива. Вузька частина карбюратора, у якій відбувається змішування рідкого палива з повітрям називається дифузором. На виході карбюратора отримуємо бензинову повітряну суміш, яка забезпечує роботу двигунів внутрішнього згорання.

Зменшення тиску в рідині при збільшенні її швидкості, як наслідок рівняння Бернуллі, використовується у водоструменевих насосах, принцип дії яких легко зрозуміти з рис.5.3.5, струмина води подається навіть з водопровідної побутової мережі. Кінець трубки має звуження, де швидкість води різко зростає, внаслідок чого тиск у цьому місці стає меншим атмосферного. Такий самий тиск, менший за атмосферний, встановлюється в камері, яка охоплює трубку з рідиною. У результаті такого явища, повітря, яке поступає у цю камеру, захоплюється струминою води і через другу трубку виноситься в атмосферу. Такі насоси надзвичайно прості за конструкцією і можуть забезпечити відкачування газу чи повітря до тиску 10 мм.рт.ст.

Навіть в домашніх умовах ми можемо спостерігати ряд явищ, які пояснюються на основі рівняння Бернуллі.

а) Візьміть два листка паперу і продувайте між ними повітря. Ці листки будуть наближатись, а не розходитися. Причина проста. Продуваючи повітря, ми збільшуємо динамічний тиск, а статичний стає меншим зовнішнього тиску, тому листочки сходяться.

б ) Коли працює порохотяг, що має вертикальну вихідну решітку повітря, у це вихідне повітря введіть дитячу легку надувну кульку, і вона не вийде з вихідного потоку. Знову ж таки, статичний тиск всередині потоку повітря менший атмосферного і зовнішній тиск „повертає” кульку в середину потоку.

в) З легкого паперу (формат А-4) склейте циліндр. Візьміть будь-яку дощечку і по ній, як по похилій площині, буде скочуватись цей циліндр. Ви побачите своєрідне явище: замість того, щоб після скочування циліндр рухався по параболі (пунктирна лінія 1), він буде рухатись по своєрідній кривій 2, ніби всупереч законам падіння (рис. 5.3.6). Таке своєрідне явище називається ефектом Магнуса (нім. фізик 1802-1870).

Тут теж спостерігаємо наслідок з рівняння Бернуллі. А саме: циліндр при обертанні приводить в обертовий рух шари повітря біля його поверхні. На рис.5.3.6 ці шари повітря, які обертаються разом з циліндром, виділено червоними лініями. Якщо циліндр рухається вниз зі швидкістю v, то з такою ж швидкістю набігає потік повітря. Праворуч від циліндра, як видно з рисунку, напрями швидкостей набігаючого потоку повітря та потоку, що обертається разом циліндром, мають протилежні напрями, а ліворуч – співпадають. Отже, ліворуч результуюча швидкість повітря буде більшою і, згідно рівняння Бернуллі, статичний тиск менший, а праворуч, де результуюча швидкість повітря менша, статичний тиск більший . Завдяки цій різниці тисків і виникає сила, яка зумовлює таку характерну траєкторію руху циліндра.

О собливе природне явище, де у глобальних масштабах мають місце наслідки з рівняння Бернуллі – це циклони – гігантські атмосферні вихри, які у діаметрі можуть досягати декількох тисяч кілометрів. У результаті обертання повітряних мас (збільшення їх швидкості), як випливає з рівняння Бернуллі, знижується статичний тиск. Тому, слухаючи прогноз погоди про наближення циклону, ми будемо чекати зменшення атмосферного тиску. На рис.5.3.7 наведено знімок з космосу атмосферного циклону з характерною центральною частиною, яка називається «оком циклона». Око тропічних циклонів характеризується дуже низьким тиском. Руйнівні тропічні циклони, у яких ураганні вітри досягають швидкості до 300 км ∕год отримують власні імена. Так, тайфун під іменем КАТРІНА у 2005 році в США наніс матеріальних збитків на 81 млрд.доларів.

Ще одне атмосферне явище, у якому велика швидкість повітряних мас приводить до значного зменшення статичного тиску і великої руйнівної дії – це смерч або торнадо. Швидкість вітру у смерчах може наближатись до швидкості звуку і тиск складає 0,4 атмосферного тиску. Смерч, як гігантський порохотяг, роль якого виконує вихор діаметром до 500 м, засмоктує у себе навіть автомобілі.

В ихор повітря, який починається з хмари і торкається поверхні землі інколи називають хоботом смерчу і такий хобот смерчу наведено на рис.5.3.8.