流体力学
动量方程 控制体
动量定理 F = ṁ Δv(控制体),射流·转折反力,消防水管·火箭
水柱打在板上。射流撞上板、折过去的时候,板受到的力从哪里来,拖动射流的强度去感觉。把水立得越猛,板被推得越狠,那个推就是动量被改变的地方。
射流撞上板、向旁边散开,拖动射流的强度,板受到的力就变大。板把水的动量停住多少,板就被那个反作用推多少。打得猛就反推得猛,打得轻就反推得轻。
用控制体捆起来,看进和出的动量,结构就显出来。进来的动量箭头和出去的动量箭头之差,就是加给流动的力。动量不消失,只改方向,所以那个变化表现为力。在箱子包住的一段里,把进来的和出去的一比,力就留下来。
拖动折转的角度,流动折得越多,动量变化越大,反力也越大。用 180 度完全折回来,变化最大,力也变成两倍。轻轻偏开,力就小。迎面折回,力最大。
写成式子是 F = ṁ Δv,也就是质量流量乘速度的变化。质量流量是 ṁ = ρAv,所以 F = ρAv·Δv,拖动 v,两处的 v 都变大,力按 v 的平方长大。快慢和量一起把力养大。
看消防水带,水带把许多水快速射出去多少,那个反作用就把消防员向后推多少。把流量往上拖,反力一下子变大,火箭也用同样的道理把气体向后喷、向前走。向后送出的动量就是向前推的力。
实际应用收起来说,流动改变动量,那个变化率就表现为力。F = ṁ Δv,也就是质量流量 ṁ = ρAv 乘上进出的速度差,用控制体捆起来,看进来的动量和出去的动量之差,力就出来。折得越多、越快、流得越多,力越大,180 度反转就是两倍。射流带动的涡轮、消防水带的反力、火箭推进,都是这个动量的整理。转到有黏性的真流动,无滑移和剪切就是下一处的起点。
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