ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Поверхностные явления Гидродинамика и аэродинамика из "Физические основы механики " Часто встречаются случаи, когда жидкость движется вместе с сосудом так, что по отношению к сосуду она покоится. Если сосуд движется без ускорений, то никаких новых вопросов не возникает, так как для этого случая полностью остается в силе всс то, что было сказано выше о покоящейся жидкости. Однако, когда сосуд движется с ускорением, также может оказаться, что жидкость относительно сосуда покоится. Примером может служить жидкий маятник , которым мы пользовались для демонстрации явления приливов ( 86). Когда маятник колеблется свободно, жидкость покоится относительно сосуда но в этом случае жидкость ведет себя не так, как в покоящемся сосуде. Это видно хотя бы из того, что в колеблющемся жидком маятнике поверхность жидкости не остается горизонтальной. Поведение жидкости в движущемся сосуде удобно рассматривать с точки зрения наблюдателя, движущегося вместе с сосудом. [c.514] На частицы жидкости массы т действуют силы mg и —т/ = —mg sin а, равнодействующая которых направлена вдоль радиуса ОЛ. Она должна уравновешиваться силой давления прилегающих слоев жидкости Р, и поэтому поверхность жидкости в маятнике нормальна к этой равнодействующей, т. е. к направлению ОА. [c.515] Сточки зрения неподвижного наблюдателя, начастицужидкости действуюттолькс сила давления прилегающих слоев Р и сила тяжести mg. Их равнодействующая и сообщает частице такое же ускорение какое имеет сосуд. [c.515] Так же, как с поверхностью жидкости в сосуде, обстоит дело с поверхностью воды в больших водных пространствах (в океанах). Поверхность воды должна быть в каждой точке нормальна к равнодействующей силы тяжести и центробел ной силы, т. е. к направлению отвеса в данной точке. Так как направление отвеса не совпадает с направлением к центру Земли, то поверхность воды, покрывающей Землю, не представляет собой точно шаровой поверхности, а несколько сплюснута к полюсам. Этим в известной степени объясняется и сплюснутая к полюсам форма самого земного шара. Когда Земля была сш.е жидкой, ее поверхность приняла такую форму, какую сейчас имеет поверхность воды в океанах ). [c.516] Необходимо лишь принять во внимание, что на покоящуюся в сосуде жидкость действует не только сила тяжести, но и силы инерции, обусловленные ускорением сосуда. Например сразу ясно, что в жидкости, свободно падающей вместе с сосудом, давление во всех точках будет одно и то же. Сила тяжести будет уравновешена силой инерции, и изменения давления с высотой, обусловл( нные силой тяжести, исчезнут. Исчезнет также давление жидкости на стенки и дно сосуда и подъемная сила. [c.516] Точно так же для жидкости, вращающейся вместе с сосудом, кроме силы тяжести нужно ввести еще центробежную силу инерции. Эта последняя в описанном выше опыте с вращающимся сосудом лежит в горизонтальной плоскости, поэтому она изменяет распределение давлений только но горизонтали. По вертикали изменения давления с высотой должны быть такими же, как в покоящейся жидкости (условия равновесия для вертикальной призмы остаются прежними). Отсюда сразу видно, что на данном уровне давление в горизонтальной плоскости растет от оси к стенкам сосуда (гак как растет высота столба до свободной поверхности). На каждый элемент жидкости с внешней стороны действует большая сила, чем с внутренней Р, Рз (рис. 291). Равнодействующая этих сил с точки зрения вращающегося наблюдателя уравновешивает центробежную силу инерции, а с точки зрения неподвижного наблюдателя — сообщает элементу жидкости необходимое центростремительное ускорение. Разность давлений в горизонтальной плоскости является причиной возникновения своеобразной подъемной силы , нанравленной от периферии к оси вращения (также, как разность давлений по вертикали является причиной возникновения обычной подъемной силы). [c.516] Если во вращающуюся жидкость погружено тело меньшей плотности, чем жидкость, то эта подъемная сила приводит к тому, что тело движется к оси вращения ( всплывает ), Для объяснения представим себе, что мы удалили тело и заполнили его место жидкостью. Вследствие разности давлений на элемент жидкости будет действовать как раз такая сила — ты г, которая необходима для движения элемента жидкости по окружности. Вернем теперь тело в жидкость. Если плотность тела меньше, чем плотность жидкости (масса меньше массы объема жидкости), то оно получит центростремительное ускорение большее, чем л идкость, и, значит, будет приближаться к оси вращения. Наоборот, тело более плотное, чем жидкость, получит меньшее ускорение. [c.516] Принцип действия центрифуги исепаратора можиопродемонстрироватьс помощью следующего прибора. В изогнутую стеклянную трубку, наполненную водой, помещают два шарика с плотностью большей и меньшей, чем плотность воды (рис. 292). Тяжелый шарик М лежит внизу, а легкий т плавает наверху. При быст ром вращении трубки легкий шарик перемещается к оси вращения (подымается кверху), а более тяжелый — удаляется от нее (опускается вниз). [c.517] Мы предполагали, что силы, действующие между отдельными соприкасающимися частями жидкости,—это только силы давления, направленные нормально к плоскости соприкосновения. Однако в реальной жидкости существуют и силы другого типа, которые вызывают ряд явлений, носящих общее название поверхностных явлений. Мы не будем изучать эти явления это задача молекулярной физики тем не менее и в механике жидкостей с этими явлениями иногда приходится считаться. Мы выясним, при каких условиях эти явления возникают, для того чтобы знать, когда с ними необходимо считаться. [c.517] Эта сила F направлена внутрь капли. Роль этой силы тем более заметна, чем меньше размеры капли. Это видно из того, что чем меньше размер капли, тем менее она сплюснута. Следовательно, в малой капле сила F имеет большее значение по сравнению с силой mg, чем в большой капле (так как сплющивание капли вызывает именно сила mg). [c.517] Сила F, направленная внутрь капли, представляет собой результирующую тех сил притяжения, которые существуют между отдельными молекулами жидкости. Направление и величина равнодействующей этих сил зависят от расположения молекул вокруг данного элемента объема жидкости. Если рассматриваемый элемент объема лежит внутри жидкости, то силы притяжения, действующие на молекулы объема со стороны окружающих молекул, всегда должны в сумме дать нуль (вследствие симметричного расположения молекул). Если же рассматриваемый элемент объема лежит на границе жидкости или прилегает к какому-либо другому телу, то симметрия в распределении молекулярных сил нарушается и равнодействующая этих сил оказывается не равной нулю, Тогда-то и возникают поверхностные явления, с которыми в механике жидкостей иногда приходится считаться. [c.517] Поверхностная пленка жидкости действует с некоторой силой на тела, с которыми она соприкасается и на которые она натянута . Эти силы называют силами поверхностного натяжения. Сила поверхностного натяжения зависит не от плон1ади пленки, а от длины границы пленки. Сила поверхностного натяжения пропорциональна этой длине. [c.518] Если поверхность жидкости искривлена, то силы поверхностного натяжения могут сказаться на поведении всего объема жидкости (а не только ее поверхностной пленки). Например, в случае смачивающей жидкости в тонкой трубке силы поверхностного натяжения вследствие искривления поверхности дают значительную вертикальную составляющую поверхностное натяжение как бы втягивает жидкость в трубку. Поэтому в капиллярных трубках смачивающие жидкости поднимаются выше того уровня, который они занимают в широких трубках. Вес столба жидкости отчасти уравновешивается составляющей поверхностного натяжения. Наоборот, несмачивающие жидкости (ртуть) в тонких трубках стоят на более низком уровне, чем в широких. Силы, обусловленные поверхностным натяжением, растут пропорционально периметру трубки (длине границы пленки), а вес столба жидкости растет пропорционально сечению трубки, т. е. быстрее. Поэтому в толстых трубках поверхностное натяжение не изменяет заметно высоту столба жидкости. Чтобы исключить влияние поверхностного натяжения на высоту столба жидкости при измерении давлений, следуетбрать трубки достаточно большого диаметра. [c.518] Вернуться к основной статье