Ответьте на вопросы, страница 73 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему течение реки в широкой части ламинарное, а в узкой может стать турбулентным? Почему течение воды в водопадах турбулентное (рис. 87, 88)?

2. Почему турбулентное течение опасно для водного транспорта и воздушных судов?

1 Почему течение реки в широкой части ламинарное, а в узкой может стать турбулентным? Почему течение воды в водопадах турбулентное (рис. 87, 88)?

Решение

Характер течения жидкости (или газа) зависит от ее скорости, вязкости и размеров русла. Существует два основных режима течения: ламинарный и турбулентный.

Ламинарное течение — это упорядоченное течение, при котором жидкость движется слоями, не перемешиваясь. Турбулентное течение — это хаотичное, неупорядоченное течение, сопровождающееся образованием вихрей.

Переход от ламинарного течения к турбулентному описывается безразмерной величиной — числом Рейнольдса:

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

где $\rho$ — плотность жидкости, $v$ — скорость течения, $l$ — характерный размер (например, глубина или ширина русла), $\eta$ — динамическая вязкость жидкости. Течение становится турбулентным, когда число Рейнольдса превышает некоторое критическое значение ($Re_{крит}$).

В случае реки, согласно уравнению неразрывности, расход воды (объем, протекающий через поперечное сечение в единицу времени) постоянен. Это выражается формулой $Q = Sv = const$, где $S$ — площадь поперечного сечения русла, а $v$ — скорость течения. Отсюда следует, что в двух разных сечениях реки произведение площади на скорость одинаково: $S_1v_1 = S_2v_2$.

Течение реки в широкой и узкой частях: В широкой части реки площадь поперечного сечения $S$ велика, поэтому скорость течения $v$ мала. Это приводит к небольшому значению числа Рейнольдса, которое, как правило, меньше критического. В результате течение остается ламинарным. При сужении русла площадь сечения $S$ уменьшается, а скорость течения $v$ соответственно возрастает. Увеличение скорости приводит к росту числа Рейнольдса. Если оно превышает критическое значение, спокойное ламинарное течение сменяется хаотичным турбулентным.

Течение воды в водопадах: В водопаде вода падает с большой высоты под действием силы тяжести. Ее потенциальная энергия переходит в кинетическую, из-за чего скорость потока $v$ становится очень большой. Огромная скорость приводит к очень большому значению числа Рейнольдса, которое значительно превышает критическое. Кроме того, падающая вода активно взаимодействует с воздухом и неровностями скал, что дополнительно способствует образованию вихрей и хаотичного движения. Поэтому течение воды в водопадах всегда является турбулентным.

Ответ: Течение в широкой части реки ламинарное из-за низкой скорости, а в узкой части скорость возрастает, что приводит к увеличению числа Рейнольдса и переходу к турбулентному течению. В водопадах вода имеет очень высокую скорость падения, что обуславливает очень большое число Рейнольдса и, как следствие, турбулентный характер течения.

2 Почему турбулентное течение опасно для водного транспорта и воздушных судов?

Решение

Турбулентное течение характеризуется хаотичными и непредсказуемыми изменениями скорости и давления в потоке жидкости или газа. Эти флуктуации создают серьезные опасности для транспортных средств.

Для водного транспорта (кораблей, лодок):

Турбулентность в воде (например, в порожистых реках, в штормовом море) создает следующие риски:

— Потеря управляемости: Мощные и хаотичные вихри создают непредсказуемые силы, действующие на корпус судна. Это затрудняет удержание курса, а в особо сильных водоворотах может привести к полному выходу из-под контроля, вращению или даже опрокидыванию (особенно для небольших судов).

— Увеличение сопротивления: Турбулентный поток создает значительно большее лобовое сопротивление, чем ламинарный. Это требует от двигателей большей мощности для поддержания скорости, что ведет к перерасходу топлива.

— Динамические нагрузки: Резкие и переменные изменения давления и сил вызывают вибрацию и ударные нагрузки на корпус судна. Это может привести к усталости материала, повреждению конструкций и оборудования.

Для воздушных судов (самолетов, вертолетов):

Турбулентность в атмосфере, известная как "болтанка", представляет собой аналогичное явление и опасна по следующим причинам:

— Резкое изменение подъемной силы: Внезапные восходящие и нисходящие потоки воздуха вызывают резкие изменения подъемной силы, действующей на крылья. Это приводит к "проваливанию" самолета в воздушные ямы или, наоборот, к резкому подбрасыванию вверх.

— Потеря управления: Сильная турбулентность может вызвать резкие крены и изменения тангажа (наклона носа вверх или вниз), что затрудняет пилотирование. Хотя современные автопилоты и системы управления хорошо справляются с умеренной турбулентностью, в экстремальных условиях может потребоваться вмешательство пилота.

— Структурные перегрузки: Резкие порывы ветра создают огромные переменные нагрузки на элементы конструкции самолета, особенно на крылья и хвост. Самолеты проектируются с большим запасом прочности, но экстремальная турбулентность может быть опасна.

— Опасность для людей на борту: Сильная "болтанка" может привести к травмам пассажиров и членов экипажа, которые не пристегнуты ремнями безопасности, из-за резких бросков и ударов.

Ответ: Турбулентное течение опасно из-за своей непредсказуемости. Оно создает хаотичные и мощные силы, которые могут привести к потере управления, структурным повреждениям транспортного средства из-за перегрузок, а также к риску для жизни и здоровья людей на борту.