Cơ học chất lưu là một phần của vật lý học đề cập đến chuyển động của các chất lưu như chất lỏng hay không khí. Sau đây xin giới thiệu với các bạn bài viết của bạn Hoàng Đức Huy về vấn đề này
1.Lực ma sát nhớt.
Đổ 1 lớp chất lỏng vào giữa 2 tấm phẳng A, B có diện tích S đặt đối diện nhau với khoảng cách là d. CHo tấm A chuyển động với vận tốc v(tấm B giữ cố định), người ta thấy để nó có vận tốc không đổi cần tác dụng vào tấm A 1 lực tỷ lệ với vận tốc và tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa 2 tấm
Xem xét chuyển động của chất lỏng giữa 2 tấm phẳng, người ta thấy vận tốc của nước tăng đều từ tấm B đến tấm A, tại B nó bằng 0, tại A nó bằng v.Vậy là có biểu thức chính xác của lực là
hệ số
gọi là hệ số nhớt động lực đặc trưng cho từng loại chất lỏng, đơn vị thường dùng trong kĩ thuật của nó là Poazơ(P), nó phụ thuộc vào từng loại chất lỏng và nhiệt độ, để đo độ nhớt người ta dùng nhớt kế.
Ngoài ra để đặc trưng cho sức cản , người ta còn dùng 1 đại lượng nữa gọi là hệ số nhớt động học
là khối lượng riêng của chất lưu
2. Các chế độ chảy
- Chế độ chảy dòng, còn gọi là chảy lớp chảy tầng hay chế độ poa zơ. Các phần chất lưu chuyển động thành từng lớp, theo những quỹ đạo không cắt nhau, phần tử nọ nối tiếp phần tử kia trên những quỹ đạo ấy, trên quỹ đạo này, phần tử sau thực hiện lại chuyển động của phần tử trước đó.Dòng chảy không có xoáy, thường có được khi vận tốc chảy nhỏ.
- Chế độ chảy rồi, chảy xoáy. Các phần tử chất lưu chảy theo quỹ đạo rất phức tạp và cắt nhau, có những chỗ xuất hiện các xoáy. Chế độ này thường có khi vận tóc chảy lớn.
3. Số Ray-nôn và tiêu chuẩn phân loại dòng chảy
Dựa vào nhiều thí nghiệm, nhà vật lý người Anh là Rây-nôn đã đưa ra 1 đại lượng không thứnguyên để phân biệt các trạng thái chảy gọi là số Rây-nôn Re.
Trong biểu thức trên,
là hệ số nhớt động học của chất lưu, v là vận tốc trung bình của dòng chảy, d là 1 hàm số đánh giá kích thước dòng chảy, có thể là đường kính của ống dòng hoặc căn bậc hai của tiết diện ống dòng.
Số Rây-nôn xác định vai trò tương đối giữa tính quán tính và tính nhớt của chất lưu.
Tỷ số giữa động năng của khối chất lưu và công của lực ma sát nhớt biểu hiện số Raynon.Khi Re lớn, tính quán tính đóng vai trò chủ yếu, khi Re nhỏ, tính nhớt lại chiếm ưu thế.Trong kĩ thuật, người ta dùng tiêu chuẩn
. Nếu Re nhỏ hơn 2300 thì dòng chảy ở chế độ chảy tầng , nếu Re> 2300 thì dòng chảy rối.
Các chất lỏng có độ nhớt càng lớn thì chảy càng ổn định
4. Định luật Poazơ cho dòng chảy dừng trong ống trụ
Ta hãy xét 1 đoạn ống trụ có bán kính R, chiều dài L, chênh lệch áp suất giữa đầu là
, bên trong có dòng chảy với hệ số nhớt là
. Đối với chất lưu lý tưởng thì dòng chảy có thể chảy ổn định mà không tốn công, nhưng đối với dòng chất lưu thực thì cần phải duy trì 1 hiệu áp suất ở 2 đầu ống. Nhà vật lý Pháp là J.L.Poiseuille(1799-1869) đã thiết lập công thức liên hệ giữa lưu lượng dòng chảy qua ống trụ với các thông số vật lý và hình học của chất lưu và ống.Chúng ta hãy thiết lập lại định luật này.
Xét 1 phần nhỏ hình trụ có tiết diện ngang là hình vành khăn với độ dày dr, cách trục của ống trụ là r
- Vì là dòng chảy dừng nên hiệu áp suất phải cân bằng với ma sát nhớt.
=>
=>
Lấy tích phân 2 vế ta được
lưu lượng nước chảy qua phần nhỏ này là
Lấy tích phân biểu thức dQ từ 0 đến R ta được
Đó chính là biểu thức của định luật Poa zơ
5. Vật chuyển động trong chất lưu
Khi vật chuyển động trong chất lưu thì chất lưu sẽ tác dụng lực vào vật. Các lực này có thể kể đến lực đẩy Acsimet do chênh lệch áp suất và lực cản. Lực cản này không chỉ phụ thuộc vào vận tốc tương đối của vật đối với chất lưu mà còn phụ thuộc vào kích cỡ của vật, trạng thái bề mặt tiếp xúc và bản thân chất lưu...Do đó việc nghiên cứu chuyển động của vật trong chất lưu là khó khăn.
Để đơn giản, người ta coi như khi vật chuyển động với vận tốc c\nhỏ, lực cản của môi trường tỷ lệ với vận tốc tương đối của vật đối với môi trường, cụ thể
Với vật có dạng hình cầu
Hai công thức trên được gọi là công thức Stốc.
Ta hãy xét 1 vật rơi trong chất lưu. Khi đó vật sẽ tồn tại một vận tốc gọi là vận tốc tới hạn. Khi rơi trong chất lưu mà vật có vận tốc tại một thời điểm nào đó bằng giá trị
này thì vật sẽ có vận tốc ổn định trong suốt quá trình còn lại. Nếu vận tốc của vật khác
thì thường là vật sẽ rất nhanh chóng đạt đến vận tốc có giá trị rất gần với
Giá sử 1 vật khối lượng m, thể tích v rơi trong chất lưu khối lượng riêng
và hệ số nhớt
=>
Theo Vật Lý Tuổi Trẻ
DÒNG CHẤT LƯU THỰC
Trong dòng chất lưu lý tưởng, giữa các lớp chất lỏng không có ma sát với nhau. Trong thực tế điều này không thể xảy ra 1 cách tuyệt đối được. Đặc tính khác biệt cơ bản của chất lưu thực là ma sát nhớt, do đó mà chuyển động của nó sẽ có 1 vài điểm khác biệt so với chất lưu lý tưởng do sự mất mát năng lượng.
1.Lực ma sát nhớt.
Đổ 1 lớp chất lỏng vào giữa 2 tấm phẳng A, B có diện tích S đặt đối diện nhau với khoảng cách là d. CHo tấm A chuyển động với vận tốc v(tấm B giữ cố định), người ta thấy để nó có vận tốc không đổi cần tác dụng vào tấm A 1 lực tỷ lệ với vận tốc và tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa 2 tấm
Xem xét chuyển động của chất lỏng giữa 2 tấm phẳng, người ta thấy vận tốc của nước tăng đều từ tấm B đến tấm A, tại B nó bằng 0, tại A nó bằng v.Vậy là có biểu thức chính xác của lực là
hệ số
Ngoài ra để đặc trưng cho sức cản , người ta còn dùng 1 đại lượng nữa gọi là hệ số nhớt động học
2. Các chế độ chảy
- Chế độ chảy dòng, còn gọi là chảy lớp chảy tầng hay chế độ poa zơ. Các phần chất lưu chuyển động thành từng lớp, theo những quỹ đạo không cắt nhau, phần tử nọ nối tiếp phần tử kia trên những quỹ đạo ấy, trên quỹ đạo này, phần tử sau thực hiện lại chuyển động của phần tử trước đó.Dòng chảy không có xoáy, thường có được khi vận tốc chảy nhỏ.
- Chế độ chảy rồi, chảy xoáy. Các phần tử chất lưu chảy theo quỹ đạo rất phức tạp và cắt nhau, có những chỗ xuất hiện các xoáy. Chế độ này thường có khi vận tóc chảy lớn.
3. Số Ray-nôn và tiêu chuẩn phân loại dòng chảy
Dựa vào nhiều thí nghiệm, nhà vật lý người Anh là Rây-nôn đã đưa ra 1 đại lượng không thứnguyên để phân biệt các trạng thái chảy gọi là số Rây-nôn Re.
Trong biểu thức trên,
Số Rây-nôn xác định vai trò tương đối giữa tính quán tính và tính nhớt của chất lưu.
Tỷ số giữa động năng của khối chất lưu và công của lực ma sát nhớt biểu hiện số Raynon.Khi Re lớn, tính quán tính đóng vai trò chủ yếu, khi Re nhỏ, tính nhớt lại chiếm ưu thế.Trong kĩ thuật, người ta dùng tiêu chuẩn
Các chất lỏng có độ nhớt càng lớn thì chảy càng ổn định
4. Định luật Poazơ cho dòng chảy dừng trong ống trụ
Ta hãy xét 1 đoạn ống trụ có bán kính R, chiều dài L, chênh lệch áp suất giữa đầu là
Xét 1 phần nhỏ hình trụ có tiết diện ngang là hình vành khăn với độ dày dr, cách trục của ống trụ là r
- Vì là dòng chảy dừng nên hiệu áp suất phải cân bằng với ma sát nhớt.
=>
=>
Lấy tích phân 2 vế ta được
lưu lượng nước chảy qua phần nhỏ này là
Lấy tích phân biểu thức dQ từ 0 đến R ta được
Đó chính là biểu thức của định luật Poa zơ
5. Vật chuyển động trong chất lưu
Khi vật chuyển động trong chất lưu thì chất lưu sẽ tác dụng lực vào vật. Các lực này có thể kể đến lực đẩy Acsimet do chênh lệch áp suất và lực cản. Lực cản này không chỉ phụ thuộc vào vận tốc tương đối của vật đối với chất lưu mà còn phụ thuộc vào kích cỡ của vật, trạng thái bề mặt tiếp xúc và bản thân chất lưu...Do đó việc nghiên cứu chuyển động của vật trong chất lưu là khó khăn.
Để đơn giản, người ta coi như khi vật chuyển động với vận tốc c\nhỏ, lực cản của môi trường tỷ lệ với vận tốc tương đối của vật đối với môi trường, cụ thể
Với vật có dạng hình cầu
Hai công thức trên được gọi là công thức Stốc.
Ta hãy xét 1 vật rơi trong chất lưu. Khi đó vật sẽ tồn tại một vận tốc gọi là vận tốc tới hạn. Khi rơi trong chất lưu mà vật có vận tốc tại một thời điểm nào đó bằng giá trị
Giá sử 1 vật khối lượng m, thể tích v rơi trong chất lưu khối lượng riêng
=>
Theo Vật Lý Tuổi Trẻ
