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 spojitosti a Bernoulliho 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. ![]() 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 ![]() 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 ![]() Podíl součinitele vnitřního tření η a hustoty ρ se nazývá kinematická viskozita ![]() 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 ![]() 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 ![]() 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. |













