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流体力学

改变流动的动量,就产生力

动量定理 F = ṁ Δv(控制体),射流·转折反力,消防水管·火箭

一股水柱打在板上。拖动水柱的强弱,感受水柱撞板并转向时,板受到的力是从哪儿来的。

水柱撞在板上向两侧散开。拖动水柱强弱,板受的力变大。板让水的动量停下多少,板就被这反作用推多少。

用一个控制体把它框起来,看进出的动量。进入的动量箭头、流出的动量箭头,两者之差正是施加给流动的力。动量不会消失,只是改了方向,这个变化就表现为力。

拖动转折的角度。把流动转得越多,动量变化越大,反作用力也越大。在180度处完全折回,变化最大,力也变成两倍。

写成式子是 F = ṁ Δv,质量流量乘速度变化。质量流量 ṁ = ρAv,所以 F = ρAv·Δv。拖动 v,v 在两处都变大,力就按 v 的平方增长。

看看消防水管。水管把越多的水越快地喷出,反作用就越用力地把消防员往后推。把流量拖高,后坐力猛地变大。火箭也是同样的原理,把气体往后喷,自己往前冲。

实际应用总结一下:当流动改变动量,这个变化率就表现为力。F = ṁ Δv,质量流量 ṁ = ρAv 乘以流出与流入速度之差。用控制体框起来,进出动量之差就是力。转得越多、流得越快、流量越大,力就越大,180度完全折回则翻倍。被射流驱动的涡轮、消防水管的后坐力、火箭推进,都是这个动量定理。下一组里,我们离开理想化的流动,转向有黏性的真实流动,从无滑移条件和剪应力开始。
流体力学
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