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流体力学

连续性方程

观察不可压缩流体流经收窄管道,验证质量守恒 A1v1=A2v2A_1v_1=A_2v_2:截面变窄处流速加快,使体积流量 Q=AvQ=Av 保持不变。

大学

器材

  • 带收窄段的动画管道;流速可见
  • “截面积比 A₂/A₁”滑块
  • “流量 Q”滑块

实验步骤

  1. 观察收窄段

    默认设置下跟踪水流进入收窄段:恰在管道收缩处流速加快。因液体不可压缩,每秒通过每个截面的体积相同,Q=Av=constQ=Av=\mathrm{const}。

  2. 检验比值

    把截面积比滑块设为 A2/A1=0.5A_2/A_1=0.5,读取喉部的加速倍数——截面减半则速度加倍,v2=v1A1/A2v_2=v_1A_1/A_2。试 0.25,验证四倍关系。

  3. 改变流量

    移动流量滑块 Q,确认速度之比不变——只是整体标度增大。进一步推论:喉部更快的流动按伯努利方程具有更低压强,这正是喷雾器与文丘里流量计背后的效应。

模拟

实验历史

连续性思想比流体力学本身更古老:达·芬奇的笔记已记载河流在收窄处流得更快。乔万尼·巴蒂斯塔·文丘里约在1797年定量研究了收缩管道中的压降,文丘里效应由此得名。 丹尼尔·伯努利的《流体动力学》(1738)把定常流中的速度变化与压强变化联系起来——连续性方程提供运动学,伯努利提供能量学。两者共同解释了化油器、皮托管以及工程师如何用喷嘴控制水射流。

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