hledej
fotografie dne
Proudění reálné tekutiny
 
FYZIKA V POZADÍ
Mechanika
 
Kinematika
Relativnost klidu a pohybu
Poloha hmotného bodu
Dráha hmotného bodu
Průměrná a okamžitá rychlost
Rovnoměrný přímočarý pohyb
Rovnoměrně zrychlený pohyb
Volný pád
Skládání pohybů a rychlostí
Rovnoměrný pohyb po kružnici
Dynamika
Síla a její účinky
Newtonovy zákony
1. Newtonův pohybový zákon
2. Newtonův pohybový zákon
3. Newtonův pohybový zákon
Odporové síly
Hybnost tělesa
Impuls síly
Zákon zachování hybnosti
Dostředivá a odstředivá síla
Vztažné soustavy
Inerciální vztažná soustava
Neinerciální vztažná soustava
Rotující vztažná soustava
Mechanická práce
Výkon
Účinnost
Mechanická energie
Zákon zachování energie
Představy o vesmíru
Keplerovy zákony
Gravitace
Problém tří těles
Měření gravitančí konstanty
Gravitační, tíhové - kdo se v tom má vyznat
Umělé družice
Pohyby v gravitačním poli Země
Vrhy
Slapové jevy
Rozměry a pohyby Země
Tuhé těleso
Skládání a rozkládání sil
Moment síly
Dvojice sil
Těžiště a stabilita tělesa
Jednoduché stroje
Kinetická energie tuthého tělesa
Moment setrvačnosti
Volná osa
Ráz těles
Základní vlastnosti tekutin
Tlak
Pascalův zákon
Hydrostatický tlak
Spojené nádoby
Atmosférický tlak
Vztlaková síla
Plování těles
Proudění tekutin
Bernoulliho rovnice
Proudění reálné tekutiny
Obtékání těles
Vodní motory
Využití energie proudící tekutiny
Lidské tělo a tlak
Použité zdroje
 
Rovnici spojitostiBernoulliho rovnici jsme odvodili za předpokladu proudění ideální kapaliny, tj. kapaliny nestlačitelné, dokonale tekuté a bez vnitřního tření. V přírodě však ideální kapaliny neexistují. Při proudění reálných kapalin působí vždy proti vzájemnému posouvání částic kapaliny odporové síly zvané síly vnitřního tření (vazkosti, viskozity) které pohyb částic do jisté míry brzdí. Vnitřní tření je totiž proces, při kterém se vyrovnávají rychlosti části proudícího prostředí v různých vrstvách tekutiny.

Při proudění reálné kapaliny trubicí není rychlost částic kapaliny v celém průřezu trubice stejná. Vrstva kapaliny, která se stýká bezprostředně se stěnami trubice, se pohybuje nejmenší rychlostí nebo je vzhledem ke stěnám trubice v klidu. Po této tzv. mezní vrstvě kapaliny se posouvá další vrstva, jejíž rychlost je již vzhledem k stěnám trubice větší. Podobně se posouvají postupně větší a větší rychlostí další vrstvy kapaliny jedna po druhé. Největší rychlost mají pak částice kapaliny ve středu průřezu trubice. Vektory rychlostí jednotlivých vrstev jsou na obrázku.

proudění reálné tekutiny

Velikost vnitřního tření můžeme měřit silou F, které je zapotřebí, aby se deska plochy S pohybovala rovnoměrnou rychlostí v v kapalině ve vzdálenosti z od stěny. Závislost můžeme vyjádřit Newtonovým vzorcem
proudění tekutin
konstanta úměrnosti η se nazývá dynamická viskozita.

Změnu rychlostí jednotlivých vrstev kapaliny vyjadřujeme rychlostním spádem, tzv. gradientem rychlosti τ, který udává změnu rychlosti Δv připadající na jednotku délky ve směru kolmém na rychlost pohybu. Vyjadřuje se
proudění reálné tekutiny
určuje sílu připadající na jednotku plochy desky a udává tečné (tangenciální) napětí, které vzniká uvnitř tekutiny při jejím pohybu. Tangenciální napětí je přímo úměrné rychlostnímu spádu v daném místě. Konstantou úměrnosti η je dynamická viskozita, která závisí jen na druhu tekutiny a na teplotě. Jednotkou je kg.m-1.s-1 = N.s.m-2 = Pa.s. Hodnota dynamické viskozity u kapalin s rostoucí teplotou klesá, u plynů stoupá. Vzduch má asi 100x menší viskozitu než voda.

Podíl součinitele vnitřního tření η a hustoty ρ se nazývá kinematická viskozita
proudění reálné tekutiny

Podobně jako jsme zavedli veličinu vnitřní tření (mezi vrstvami tekutiny), můžeme zavést veličinu vnější tření (mezi stěnou nádoby a kapalinou). Na povrchu nádoby se kapalina téměř nepohybuje, koeficient vnějšího tření je velmi velký, prakticky nekonečný. Proto k němu nemusíme přihlížet.

Víme, že rychlost proudění skutečné kapaliny je největší v ose trubice a nejmenší u stěn. Zavádíme tzv. střední rychlost proudu, tj. rychlost, jakou by měla tekutina tekoucí v celém průřezu stejnou rychlostí tak, že by za jednotku času proteklo průřezem trubice stejné množství kapaliny, jaké proteče ve skutečnosti. Pokud střední rychlost nepřekročí určitou hranici a při proudění jsou všechny proudnice rovnoběžné s osou trubice, je proudění laminární. Mezní hodnota závisí na kinematické viskozitě a na poloměru trubice. Klesá-li poloměr, mezní hodnota roste. Pro objem Q tekutiny, která projde za laminárního proudění kapilárou, platí
proudění reálné tekutiny
Tento vztah se nazývá Poiseuilleův (Hagenův) zákon. Množství tekutiny, jež projde kruhovým průřezem za jednotku času, je přímo úměrné tlakovému spádu, čtvrté mocnině poloměru trubice a je nepřímo úměrné dynamické viskozitě. Pro příliš velký tlakový spád (velká rychlost), proudění přestane být laminární a zákon neplatí. Důsledkem vnitřního tření je odpor, který kapaliny kladou pohybu tuhých těles.

Tento zákon můžeme aplikovat i na krevní oběh. Ze zákona vyplývá, že při zmenšení průměru trubice na polovinu, klesne průtok na šestnáctinu při zachování stejného rozdílu tlaků. Z hlediska krevního oběhu je proto lepší oběh centralizovat, protože při použití tenkých kapilár je nutná velká práce k pohonu krve v oběhu.

Rychlost tekutiny v určitém bodě se nepravidelně mění co do velikosti i směru, mluvíme pak o  turbulentním proudění. Anglický fyzik Reynolds konal pokusy se skleněnými trubicemi různého průřezu při různém tlakovém spádu. Zjistil, že o druhu proudění rozhoduje bezrozměrná veličina – Reynoldsovo číslo R, jež charakterizuje každý tok
proudění reálné tekutiny
kde d je délka charakteristického rozměru tělesa (např. průměr trubice), ρ je hustota kapaliny, η dynamická viskozita, v střední rychlost kapaliny, ν kinematická viskozita. Podle pokusů laminární proudění v hladkých trubicích přechází v turbulentní tehdy, když Reynoldsovo číslo dosáhne kritické hodnoty Rk. Měření ukázala, že Rk je asi 2000 (2400).

K překonání sil vnitřního tření působících proti pohybu reálné kapaliny je třeba konat mechanickou práci. Tato práce se koná na úkor kinetické i tlakové potenciální energie proudící kapaliny. Proto u kapalin s větší viskozitou je nutno udržovat jejich proudění velkým přetlakem pomocí výkonných čerpadel.

Význam čísla R není omezen jen na proudění tekutin v trubicích, ale má základní význam pro proudění tekutiny v prostorech obecnějšího tvaru a při pohybu pevných těles v tekutinách. Stejné zákonitosti platí i pro vzduch, pokud je rychlost značně menší než rychlost zvuku. Při otáčivém pohybu tekutin následkem snadné posunutelnosti jejich částic a vnitřního tření nastávají jiné poměry než při otáčení pevného tělesa. Známým příkladem otáčivého pohybu tekutin jsou víry, které lze pozorovat např. nad výtokovým otvorem vany, kouřové kroužky ve vzduchu. Víry vznikají při prouděni vlivem vnitřního tření, ve vrstvě, která odděluje dvě proudění různých rychlostí, víry vznikají za pevnými tělesy, která jsou v klidu nebo se pohybují (pilíře mostů).Víry představují útvar značné stability, jsou vázány na hmotu a na mezní vrstvu.

 
Copyright (c) 2008 Techmania   All rights reserved.         Powered by NetPro systems, s.r.o.           Design by Jan Dienstbier, UUD ZCU.
Creative Commons License
Edutorium - Techmania science center by Magda Vlachová, Jindřich Káža is licensed under a Creative Commons 3.0 Unported License