Содержание.Введение. 2 Гидроаэромеханика. 3 Законы механики сплошной среды. 4 Закон сохранения импульса. 5 Закон сохранения момента импульса. 5 Закон сохранения энергии. 6 Гидростатика. Равновесие жидкостей и газов. 9 Движение жидкостей и газов. 10 Прогнозирование характеристик течения. 10 Уравнение неразрывности. 11 Уравнение Бернулли. 11 Гравитационное моделирование. 13 Число Фруда. 13 Гидродинамика Эйлера и Навье-Стокса. 14 Влияние вязкости на картину течения. 15 Турбулентное течение в трубах. 16 Гидравлический удар. 17 Явления в пограничном слое. 18 Вихревые колебания. 19 Плоская поверхность. 20 Поверхности другой формы. 21 Сжимаемость. 21 Аналогии между течением жидкости и газа. 23 Заключение. 24 Список использованной литературы. 27 Введение. Как манна небесная свалилось на учёных-физиков XIX века совпадение положений кинетической теории газов с экспериментальными результатами, полученными в рамках термодинамики.
Два физических подхода – макроскопический (термодинамический) и микроскопический (молекулярно-кинетический) – дополнили друг друга.
Идея о том, что вещество состоит из молекул, а те, в свою очередь, из атомов нашла убедительное подтверждение.
Казалось, на основе кинетической теории, легко можно определить свойства газов, поскольку достаточно знать свойства входящих в состав молекулы атомов для определения свойств самого вещества, но в действительности всё оказалось не так просто. Благодаря этой теории удалось определить лишь некоторые свойства газов, например, вывести уравнение состояния газа, но для определения таких характеристик газов как коэффициенты теплопроводности, вязкости и диффузии нужно было серьёзно потрудиться.
Для конденсированных сред - твёрдых тел, жидкостей и сжатых газов получить результаты было ещё труднее, поскольку должно учитываться то, что молекулы взаимодействуют между собой не только при ударах. Поэтому, говорить о том, что все физические явления микромира могут быть объяснены и рассчитаны на основе молекулярно-кинетических представлений, не приходиться. Дискретное (не сплошное) строение вещества было обнаружено лишь в конце XIX века, а опыты, доказывающие существование молекул, проведены в 1908 году французским физиком Жаном Батистом Перреном.
Обнаружение дискретной структуры строения вещества позволило определить границы применимости механики сплошных сред. Она работает только в тех случаях, когда систему можно разбить на малые объёмы, в каждом из которых содержиться всё же достаточно большое количество частиц, чтобы оно подчинялось статистическим закономерностям.
Тогда элементы среды находятся в состоянии термодинамического равновесия, а их свойства описываются небольшим числом макроскопических параметров. Изменения в таком малом объёме должны происходить достаточно медленно, чтобы термодинамическое равновесие сохранялось. При выполнении этих условий, справедлива гипотеза о сплошности среды, которая лежит в основе механики сплошной среды. Сплошной средой считается не только твёрдое тело, жидкость или газ, но и плазма (даже сильно разряженная), такая, как звёздный ветер.
Число частиц в элементе объёма такой среды невелико, но благодаря большому радиусу действия сил между заряженными частицами микроскопические параметры меняются от элемента к элементу непрерывно. Как движется в вакууме материальная точка досконально известно со времён Исаака Ньютона. Гораздо сложнее описать её движение в воздухе, воде или другой среде. Именно с этими вопросами имеет дело, являющаяся разделом физики, наука гидроаэромеханика. Гидроаэромеханика.
Несмотря на то, что газ и жидкость – разные фазовые состояния вещества, гидроаэромеханика (механика текучих веществ), в изучении этих фаз вещества, не разделяет их, а изучает их механические свойства, взаимодействие этих свойств между собой и с граничащими с ними твёрдыми телами. Гидроаэромеханика состоит из нескольких разделов: 1. движение со скоростью, много меньшей скорости звука, изучает гидродинамика. 2. Если скорость движения тела приблизительно равна скорости звука или превышает оную, такое движение исследует газовая динамика. 3. изучение движения тел и летательных аппаратов в атмосфере относиться к разделу аэромеханики.
Объединяющими все разделы гидроаэромеханики цели – улучшить форму летательных аппаратов, автомобилей; добиться наибольшей эффективности устройств, использующих жидкость или газ (двигателей реактивных самолётов или впрыскивателей топлива в двигателях внутреннего сгорания); оптимизировать производственные процессы, связанные с использованием жидкости или газа (аэрозольное нанесение покрытий, создание оптических волокон, т. д.). Гидроаэромеханика отличается как от эмпирической гидравлики, так и от математической гидродинамики, поскольку она не только основывается на твердо установленных законах физики, но и опирается на опытные данные, проверяя и дополняя ими теоретический анализ.
Законы гидроаэромеханики оказываются полезными не только в технике и промышленности – они помогают предсказать и объяснить многие природные явления, связанные с динамическими свойствами воздуха и воды. Гидроаэромеханика работает фактически во всех отраслях деятельности человека.
Для жидкости, учитывая её малую сжимаемость, вместо этого соотношения ... В небольшом диапазоне температур можно считать, что внутренняя энергия... Из законов Ньютона можно показать, что при движении в пустом пространс... В классической механике закон сохранения импульса обычно выводится как... Как отмечалось, он может быть получен как следствие интуитивно-верного...
равнозначность всех моментов времени, заключающаяся в том, что замена ... Закон сохранения энергии имеет всеобщий характер. Он применим ко всем ... Свойство тела, от которого зависит его ускорение при взаимодействии с ... При одновременном действии на одно тело нескольких сил тело движется с... Центр тяжести – точка приложения равнодействующей всех сил тяжести, де...
Это уравнение выражает один из основных законов гидроаэромеханики, сог... Одно из важнейших уравнений гидромеханики было получено в 1738 году шв... Согласно этому уравнению, увеличению высоты в неподвижной среде жидкос... Поэтому давление в любой точке неподвижной жидкости равно глубине этой... В тех случаях, когда скорость течения отлична от нуля, уравнение Берну...
Такого рода экспериментальные исследования уменьшенных моделей – обычн... Число Фруда. Подобие будет обеспечено только в том случае, если число Фруда для мод... Гравитационное моделирование. Очевидно, что в случае течения воды под атмосферным воздухом мы имеем ...
Любые газы, для которых выполняется условие сплошности, подчиняются ур... Величину коэффициента динамической вязкости Ньютон определил с помощью... Реальная жидкость отличается от идеальной тем, что она обладает внутре... F = n v S h Несмотря на то, что при увеличении глубины жидкости сила в... Являются ньютоновскими жидкостями..
При малых скоростях в соответствии с законом вязкого трения Ньютона си... При больших скоростях, когда вязкость перестаёт играть существенную ро... Влияние вязкости на картину течения. Вязкость жидкости и газа обычно с... Поэтому, чтобы не нужно было чрезмерно повышать скорость в эксперимент... Этот критерий называется числом Рейнольдса и имеет вид.
Он создаст волну, бегущую по трубопроводу, которая, отразившись от мес... Однако, плотность жидкости во много раз больше плотности газа. По этому времени легко определить расстояние до повреждённого участка.. Это произойдёт, если резко перекрыть воду, поток которой достаточно пр... По той же причине жидкость может оказаться опаснее и привести к аварии.
Явление отрыва связано с высокими градиентами давления и скорости тече... . Для погруженных в поток тел сочетание поверхностного сопротивления и с... Для парашюта сопротивление должно быть максимальным и CD = 1,3, тогда ... Теория пограничного слоя разработана Л.Прандтлем (1875–1953).
Этим объясняются вибрация перископов высокоскоростных подлодок и гуден... Вихревые колебания. В случае удлиненных тел, скажем цилиндрических, за...
Плоская поверхность. Сходную поперечную силу отрыв потока вызывает в с... Такое тело, называемое аэродинамической поверхностью или попросту крыл... .
В испытаниях устройств и машин такого рода определяют коэффициенты тяг... Хотя сжимаемость (или ее обратная величина – упругость) является свойс... Во-первых, реальные жидкости и газы представляют собой упругие среды, ... Критерием при этом служит отношение скорости течения к скорости упруго... Например, коэффициент лобового сопротивления снаряда со сферической го...
Аналогии между течением жидкости и газа. Поэтому модели, для которых существенны звуковые эффекты в воздухе, ча... Тесная аналогия между процессами образования волн «маховского» и «фруд... Так, анализ картины звуковых волн, примененный к картине гравитационны... Наряду с такой аналогией между течением жидкостей и газов имеется и ра...
Заключение.
На мой взгляд, не стоит в очередной раз перечислять те законы, явления и приводить уже освещённые мной формулы.
Подводя итог изложенному, остановлюсь на суммировании тех понятий, которые были описаны ранее и постараюсь логически обосновать их значимость для науки и в повседневной жизни. Как известно, наука имеет свои характерные отличительные черты. Она: 1. универсальна 2. фрагментарна 3. общезначима 4. обезличена 5. систематична 6. незавершённа 7. преемственна 8. критична 9. достоверна 10. внеморальна 11. рациональна 12. чувственна Кроме того, для науки характерны свои особые методы и структура исследований, а так же язык и аппаратура.
Всем этим определяются специфика научного исследования и значение науки. Отправной точкой для каждого научного исследования и дальнейшего открытия служит обычный эмпирический факт. В случае с гидроаэромеханикой это может быть факт полёта птиц или пересекающий океан кокосовый орех. Далее, следует определённый метод исследования именуемый наблюдением. Зачастую, процесс наблюдения требует привлечения аппаратуры и других вспомогательных средств.
В отношении точных наук, таких как механика, помимо голых фактов необходимо всё предшествующее знание, касающееся данной проблемы, прежде всего – знание принципов механики (трёх законов Ньютона). Роль наблюдения заключается в том, чтобы подтвердить эмпирический факт путём проверки справедливости этого явления относительно других аналогичных объектов (остальных птиц, например). Убедившись в том, что некоторые предметы могут плыть, а птицы летать, неминуемо задаёшься вопросами «как?» и «почему?». Это ведёт к выдвижению определённой гипотезы, для подтверждения (или опровержения) которой можно провести эксперимент.
Существует множество разновидностей эксперимента: от мысленного (когда объекты вымышлены, а сам экспериментальный процесс проводиться в уме), до модельного (когда эксперимент проводится с помощью моделей, размеры и масса которых пропорционально уменьшены по сравнению с реальными телами). В зависимости от исследуемого объекта, возможен эксперимент с идеализациями, т.е. идеальными представлениями (идеальная жидкость). Чтобы из наблюдения различных явлений сделать общие выводы, надо установить количественные зависимости между различными величинами – физические законы.
Установленные физические законы избавляют от необходимости проводить опыт в каждом конкретном случае. Отличительной особенностью научного эксперимента является то, что его должен быть способен воспроизвести каждый исследователь в любое время.
Если гипотеза подтверждается экспериментами и проходит испытание принципом фальсифицируемости – можно судить о её достоверности и перевести данную гипотезу в разряд теорий. Механика жидкости и газа является особым разделом физики. Как уже говорилось ранее, в основу её входят несколько основных законов. Эти законы актуальны не только по отношению к рассмотренным фазам вещества, но и для твёрдых тел (правда, с небольшими «подгонками» под физическую суть этих тел). Для наибольшего удобства и краткости, законы отражены в математических формулах – языке науки. На основе этих законов созданы различные механизмы, которыми окружил себя человек.
Механизмы сильно облегчают и ускоряют процессы производства, да и физический труд человека как таковой. Лишь благодаря достижениям в области точных наук стало возможным освоить то, что было недосягаемо для человека ранее. Это глубины океана, возможность передвижения в атмосфере, полёты в космос и многое другое.
И наука не стоит на месте. С каждым днём учёные приближают нас на шаг ближе к познанию жизни. Полностью познать Вселенную, конечно, невозможно, но осмыслить то, что доступно человеку со временем неминуемо.
Список использованной литературы . 1. Энциклопедия «Аванта+», Т. 16 (I, II части) - М.: Аванта+, 2001г. 2. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев «Физика» - М.: Просвещение, 1997г. 3. И. К. Кикоин, А. К. Кикоин «Физика» - М.: Просвещение, 1992г. 4. О. К. Костко «Механика». –М.: Лист, 1998г. 5. Н. А. Эрдеди, А. А. Эрдеди «Теоретическая механика, сопротивление материалов». –М.: Высшая школа,2002г. 6. Интернет ресурсы.