Номер 1, страница 466 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Движение твёрдых и деформируемых тел. Глава 9. Механика деформируемых тел. Параграф 9.8. Гидродинамика. Ламинарное и турбулентное течение - номер 1, страница 466.

Условие.

? Чем отличаются ламинарное и турбулентное течения жидкости?

Решение.

Решение

Ламинарное и турбулентное течения — это два принципиально разных режима движения жидкостей и газов. Ключевое различие между ними заключается в характере движения частиц среды, их траекториях и взаимодействии друг с другом.

Ламинарное течение

Ламинарное (от лат. lamina — пластинка, слой) течение — это упорядоченное движение жидкости, при котором она движется слоями, не перемешивающимися друг с другом. Представьте себе колоду карт: когда вы сдвигаете ее, карты скользят друг по другу, но не перемешиваются — это аналогия ламинарного течения.

Основные характеристики:

1. Упорядоченность: Частицы жидкости движутся по гладким, параллельным траекториям (линиям тока).

2. Отсутствие перемешивания: Между соседними слоями жидкости происходит только молекулярный обмен, но нет макроскопического перемешивания. Если в такой поток впрыснуть краситель, он будет двигаться в виде тонкой, нерасплывающейся струйки.

3. Предсказуемость: Параметры потока (скорость, давление) в каждой точке либо постоянны во времени (стационарное течение), либо изменяются плавно и предсказуемо.

4. Условия возникновения: Обычно наблюдается при малых скоростях потока, в жидкостях с высокой вязкостью (например, мёд, масло) или при течении в тонких трубках (капиллярах).

Турбулентное течение

Турбулентное (от лат. turbulentus — бурный, беспорядочный) течение — это хаотическое, неупорядоченное движение, которое сопровождается образованием множества вихрей различных размеров и интенсивным перемешиванием жидкости.

Основные характеристики:

1. Хаотичность: Траектории частиц жидкости чрезвычайно сложны и беспорядочны. Скорость и давление в любой точке потока постоянно и случайным образом меняются (пульсируют) относительно своих средних значений.

2. Интенсивное перемешивание: Благодаря вихрям происходит активный перенос массы, импульса и тепла поперек потока. Это приводит к быстрому выравниванию скоростей, температур и концентраций по сечению потока. Краситель, впрыснутый в турбулентный поток, быстро размывается и окрашивает весь объем.

3. Повышенное сопротивление: Турбулентное течение связано со значительно большими потерями энергии на трение по сравнению с ламинарным.

4. Условия возникновения: Возникает при больших скоростях, в жидкостях с низкой вязкостью (например, вода, воздух) или в трубах большого диаметра.

Критерий перехода

Переход от ламинарного течения к турбулентному и обратно определяется безразмерным параметром — числом Рейнольдса ($Re$). Оно показывает соотношение сил инерции (которые способствуют турбулизации потока) к силам вязкого трения (которые стабилизируют поток). Рассчитывается по формуле:

$Re = \frac{\rho v L}{\eta}$

где $\rho$ — плотность жидкости, $v$ — характерная скорость течения, $L$ — характерный линейный размер (например, диаметр трубы), а $\eta$ — динамическая вязкость жидкости.

Для течения в круглой трубе принято считать, что:

• при $Re < 2300$ течение является ламинарным.

• при $Re > 4000$ течение становится турбулентным.

• в диапазоне $2300 < Re < 4000$ наблюдается переходный режим, когда течение неустойчиво и может менять свой характер.

Ответ: Ламинарное и турбулентное течения жидкости отличаются характером движения ее частиц. При ламинарном течении частицы движутся упорядоченно, по параллельным траекториям (слоям), которые не перемешиваются между собой; это течение характерно для низких скоростей и высокой вязкости. При турбулентном течении движение частиц хаотично, их траектории постоянно и беспорядочно меняются, что приводит к образованию вихрей и интенсивному перемешиванию потока; этот режим возникает при высоких скоростях и низкой вязкости. Критерием, определяющим режим течения, является число Рейнольдса.