知识点:流体流速与压强的关系
题目:用流体压强与流速关系演示仪进行原理分析
一、原理性知识回顾
如图1是生活中龙卷风。很明显的,我们看到空中飞过了一头牛,哇,这么大的一头牛给吸到空中来了,龙卷风的力量太大了。如果注意去收集我们的龙卷风视频,也会看到龙卷风不仅可以把我们健壮的奶牛给吸到空中,它甚至可以摧毁房屋,把房子给吸到空中来了。
为什么龙卷风有这么大的力量呢?其实这里面是涉及到了流体压强和流速的关系,那它们之间是什么关系呢?在了解他们的关系之前,我们首先要明确三个概念。我们知道水和空气具有流动性,他们被统称为流体。而我们的流体流动时的压强叫做流体压强,流体运动速度就叫做流速。流体运动时在流速不同的地方会出现一种奇妙的特性,会怎么样呢?我们一起来看一下图2中的实验,大家准备一张白纸,拉住其中的一端,然后另外一端自然下垂,对着它来吹气。就是它的上方,我们吹口气。我们看到白纸飘了起来。如果有两张白纸,自然竖直平行放置,再向中间吹气。两个白纸“相亲相爱”起来了,它们下端会贴在一起了。白纸的状态怎么就发生了改变?我们知道力能够改变我们的运动状态,说明白纸受到力的作用。是谁施了力?施力物体又是谁呢?我们的第一张白纸受到了空气给他向上的力。原因是纸片上方的空气流速大,压强小,受到一个向上的升力。
而我们的两张相对的白纸也具有同样的道理。两张纸之间的空气流速大,压强小,在外侧大气压的作用下,两张纸会向中间靠拢,在物理学中可以用伯努利原理解释。
二、创新实验进行可视化解释
如图3所示,我们的硬币有一点重。比白纸质量大,但这个时候我们向硬币上方吹气,流速大,压强小,下方的压强大一些,硬币受到向上的压力。它的压力大于硬币自身的重力,所以硬币跳了起来,跳到我们的杯子中。气体具体有这样的特性,流体中的液体能不能具有这样的特性呢?
我们用流体流速演示仪来研究液体压强与流速的关系。如图4所示,水在水管内流动时,管径粗的地方流速小,管径细的地方流速大。通过实验能够看出,粗管上方的液柱高。其原因是粗管里面的水流速度比较慢,上方的液柱高说明粗管里面的压强比较大,所以它能够托起更高的水柱;反之,细管上方的液柱低,是由于细管的液体流速大,压强较小。说明液体流速越大的地方压强越小;流速越小的地方,压强越大。
如图5所示,是我们制作的数字化的流体流速与压强关系演示仪,通过安装在粗细不同的透明管中的水流测速仪,能够测出管中的水流的流速大小,并且管中分别连接压强计,能定性也能定量地得出流速大小与压强之间的关系,能轻松地得出科学的结论。
这个原理可以解释生活当中的很多现象。例如简单的“喷雾器”制作,它是由一根吸管构成的,在吸管中间剪一个小口,将其下端放入水面以下。我就可以看到,我们看到缺口当中会喷出大量的水雾。这就是我的研究液体压强与流速关系的应用。
三、生活中的实际应用
在我们火车站、地铁这些地点都能看到安全线(如图6所示)。这个安全线是我们不能够跨越过去的,要求我们必须站在安全线外。这是因为我们的列车高速运动时带动我们空气流速非常的快。空气流速快,压强小,你会受到一个方向指向我们汽车或者是火车的力,这样就很不安全了。所以我们要站在安全线外。在我们的很多体育运动当中,像足球、乒乓球等,这些球类运动当中会出现很奇怪的一种现象,叫旋转球或者“香蕉球”。在运动过程当中,它的路径就是弯曲的。
为什么我们的足球能够绕过人墙进入球门当中呢?如图7所示,足球在向前运动时还在顺时针旋转,因为我们的足球一边向前运动,一边不停地旋转,他们旋转过程当中带动周围的空气。我们可以看一下图片当中的足球左侧的空气流速变快了,而右边的空气流速减慢了,流速大的位置压强小,流速小的位压强置比较强大,所以足球的左右两边的压力不再相等,它受到了一个向左的压力,足球一边向前运动,一边向左开始拐弯,这就是“香蕉球”产生的原理。我们还注意到,烟会顺着我们的烟囱排到屋外,其中一个原因就是因为风吹过我们的烟囱顶端,使那里的空气流速变大,压强减小了,所以也就在这样的压强差的作用下,烟从下面排到屋外。除了我们说的这些现象以外,你还能够用我们的流体压强和流速的关系去解释其他现象吗?
四、原创题训练
1.
如图8所示,是一个“风洞”模型,一家模型飞机固定在托盘测力计上,无风时,托盘测力计示数为15N,当迎面吹着飞机的风速为20m/s时,托盘测力计示数为7N,可以判断飞机受到一个_____力的作用,该力大小为______N,方向为_____N。
2.
小明的爸爸在密闭的轿车内抽烟,小明随手旋下车门玻璃,此时发现车座上的一张纸质发票也飞出了车窗外,小明大惑不解,那是因为窗外的空气流速___,压强_____,车内的发票上表面空气也流动起来,压强会______,然而发票的下表面空气流速______,压强______,产生向外的升力而飞出窗外。
3.
乒乓球在前进过程中会由于发球这得技术,产生不同的效果,原因是运动员用三种不同的击球方法把乒乓球击出,图9中的1、2、3三条径迹中,_____条是上旋球,____条是下旋球,_____条是不旋球,之所以是上旋球的原因是__________________________。
参考答案:
1.
升力;8N;竖直向上。
2.
大;小;减小;较小;较大。
3.
第1条;第3条;第2条;上旋球的原因是由于球的旋转,球上方的空气随之向左运动,但球同时向左运动,则空气相对于球向右运动,空气对两种运动的作用相互抵消,球上方的气流速度比下方的小,所以上方压强大,球受到向下的压力,沿弧线迅速下落。
(安徽 刘信生 供稿)