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视觉物理和数学/流体动力学

来自维基教科书,开放世界中的开放书籍

文丘里效应

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从白色到蓝色的渐变表示压力的增加。管道最窄的地方压力最低。这并不直观,特别是如果我们想到人群通过狭窄的门。但我们通过推理流体元素所经历的力来解释它。为了穿过收缩部分,它首先被加速,就像从后面被推一样。因此,它后面的压力高于它前面的压力。穿过收缩部分后,它被制动。因此,它前面的压力高于它后面的压力。因此,收缩部位是压力最小的地方。

(通常,我们在管道中进行文丘里效应。在这里,流动是二维的,它是由茹科夫斯基变换计算的。我们必须想象一种在两块平行板之间流动的流体。收缩部位就像每块板上的一座山谷。)

为什么飞机有翅膀?

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迎角(机翼相对于水平线的倾斜角度,这里与实际情况相比被大大夸大了)要求空气在机翼上方流动的速度比下方更快。与文丘里效应一样,空气的加速导致压力降低。因此,机翼下方的压力高于机翼上方的压力。这就是飞机被机翼承载的原因。


圆柱体周围的完美流体

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就在圆柱体前面,流体几乎静止。因此它被减速了。因此,圆柱体前部的压力高于上游的压力,正如预期的那样。就在圆柱体后面,流体也几乎静止。因此,它被加速以加入下游的流动。因此,圆柱体后部的压力高于下游的压力,这与人们的预期相反。如果流体没有粘性,那么圆柱体后部和前部的压力会完全相互抵消,因此圆柱体不会被流动拖动,就像一个人可以在急流中放腿而不被拖向下游,或者像一个弹丸可以穿过空气而不被减速一样。为了解释阻力,必须考虑粘性(流体摩擦力)和湍流。

卡门涡街

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五十万个硬盘相互碰撞,阻碍它们流动。


马格努斯效应

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如何让对手感到惊讶?通过向他发射一个旋转的球。

模拟机翼和帆上的力

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一百万个硬盘相互碰撞。没有吸引力,只有排斥力。两种颜色代表两种物质的分子。两种不同物质的分子之间的反弹距离大于两种相同物质的分子之间的距离。这足以导致相同物质的分子彼此靠近,两种流体分离,并在两个相之间出现线张力。这种二维流体中的线张力相当于三维流体中的表面张力(使液滴、气泡和平面液体表面出现张力的张力)。因此,分子间吸引力不是导致表面张力出现的必要条件。

压力和海拔

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一个二维硬盘气体,最初处于静止状态,在重力的作用下坍缩,并达到一个平衡状态,其中压力随着海拔高度的增加而降低。


阿基米德浮力

受重力影响的硬盘相互碰撞。较大的黄色圆盘在其底部所承受的压力大于其顶部所承受的压力。这就是它像热气球一样被流体承载的原因。

阿基米德浮力是在浸没在流体中的固体上施加的压力力的总和。在重力作用下处于平衡状态的流体中,它是向上指向的。如果固体也处于平衡状态,则阿基米德浮力恰好等于它的重量,这也是固体所占流体体积的重量。

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