Номер 2, страница 162, часть 1 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 4. Механика жидкостей и газов. Параграф 38. Исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 2, страница 162.

Условие.

• Течение жидкости в технике.

Решение.

Течение жидкости в технике — это раздел гидромеханики, изучающий движение жидкостей (капельных и газообразных) и его использование в различных технических устройствах и процессах. Понимание законов течения жидкости является фундаментальным для проектирования и эксплуатации трубопроводов, насосов, турбин, гидравлических систем, систем охлаждения и многого другого.

Основные понятия и режимы течения

Решение

В инженерных расчетах часто используют модели идеальной жидкости (несжимаемой и не имеющей вязкости) для упрощения, однако для точного анализа необходимо учитывать свойства реальной жидкости, в первую очередь вязкость — свойство оказывать сопротивление сдвигу слоев. В зависимости от скорости течения, вязкости жидкости и размеров канала различают два основных режима течения:

1. Ламинарное течение — упорядоченное, слоистое течение, при котором частицы жидкости движутся по параллельным траекториям, не перемешиваясь. Такой режим наблюдается при малых скоростях движения или при большой вязкости жидкости.

2. Турбулентное течение — неупорядоченное, хаотическое течение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием, образованием вихрей и пульсациями скорости и давления. Этот режим возникает при высоких скоростях и является наиболее распространенным в технике.

Критерием перехода от ламинарного режима к турбулентному служит безразмерное число Рейнольдса ($Re$):

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

где $\rho$ — плотность жидкости, $\text{v}$ — средняя скорость течения, $\text{D}$ — характерный линейный размер (например, диаметр трубы), $\eta$ — динамическая вязкость жидкости.

Для течения в круглой трубе принято считать, что при $Re < 2300$ режим течения ламинарный, а при $Re > 2300$ может возникнуть турбулентность.

Ответ: Течение жидкости в технике бывает двух основных режимов: ламинарного (упорядоченного) и турбулентного (хаотического). Режим течения определяется числом Рейнольдса ($Re$), которое зависит от скорости, плотности, вязкости жидкости и размеров канала.

Основные уравнения гидродинамики

Решение

Анализ течения жидкости основывается на фундаментальных законах сохранения массы и энергии.

1. Уравнение неразрывности (закон сохранения массы). Для несжимаемой жидкости это уравнение утверждает, что объемный расход жидкости ($\text{Q}$) постоянен в любом сечении потока. Оно связывает скорость потока ($\text{v}$) и площадь поперечного сечения ($\text{S}$):

$Q = S \cdot v = \text{const}$

Из этого следует, что $S_1 v_1 = S_2 v_2$. Таким образом, в узких участках трубы скорость течения жидкости увеличивается, а в широких — уменьшается.

2. Уравнение Бернулли (закон сохранения энергии). Это уравнение устанавливает связь между давлением, скоростью и высотой для стационарного потока идеальной несжимаемой жидкости. Оно гласит, что сумма статического, гидростатического и динамического давлений остается постоянной вдоль линии тока:

$p + \rho g h + \frac{\rho v^2}{2} = \text{const}$

где $\text{p}$ — статическое давление, $\rho g h$ — гидростатическое давление (зависит от высоты $\text{h}$), а $\frac{\rho v^2}{2}$ — динамическое давление (зависит от скорости $\text{v}$). Из уравнения Бернулли следует важный вывод: в тех сечениях потока, где скорость больше, статическое давление меньше, и наоборот. Этот принцип лежит в основе работы многих устройств, например, расходомеров Вентури, пульверизаторов и подъемной силы крыла самолета. Для реальных жидкостей в уравнение добавляется член, учитывающий потери энергии на трение.

Ответ: Движение жидкости описывается уравнением неразрывности ($S \cdot v = \text{const}$), которое выражает закон сохранения массы, и уравнением Бернулли ($p + \rho g h + \frac{\rho v^2}{2} = \text{const}$), которое является следствием закона сохранения энергии и связывает давление, скорость и высоту потока.

Применение в инженерной практике

Решение

Законы течения жидкости находят широчайшее применение в самых разных областях техники:

• Трубопроводный транспорт: Расчет систем водоснабжения, отопления, нефте- и газопроводов. Инженеры определяют диаметры труб, потери давления (напора) из-за трения, подбирают мощность насосов для перекачки необходимого объема жидкости.
• Гидравлические машины и приводы: Проектирование насосов, гидравлических турбин (на ГЭС), компрессоров. Гидравлические системы (тормоза автомобиля, прессы, подъемники) используют свойство жидкости передавать давление для создания больших усилий.
• Теплотехника: Разработка систем охлаждения для двигателей внутреннего сгорания, компьютеров, ядерных реакторов. Эффективность теплообменников напрямую зависит от режима и скорости течения теплоносителя.
• Химическая технология: Управление процессами в химических реакторах, где интенсивность перемешивания (часто достигаемая за счет турбулентного течения) влияет на скорость химических реакций и качество продукта.
• Строительство: Проектирование плотин, каналов, систем дренажа и ирригации, расчет воздействия потока воды на опоры мостов.
• Аэродинамика и судостроение: Хотя воздух является газом, его течение подчиняется тем же законам. Эти знания используются для создания подъемной силы крыла самолета, уменьшения сопротивления движению автомобилей и проектирования корпусов кораблей.

Ответ: Знание законов течения жидкости необходимо в инженерной практике для проектирования и эксплуатации трубопроводов, насосов, турбин, гидравлических приводов, систем охлаждения, химических реакторов, а также в строительстве, авиации и судостроении.