Mechanika płynów

Charakterystyka płynów
Płyn to:
substancja zdolna do przepływu,
przyjmuje kształt naczynia w którym się znajduje,
może działać siłą prostopadłą do jej powierzchni,
brak regularnego układu atomów (cząsteczek), rozciągającego się tak daleko jak w ciele stałym.
ciała fizyczne
ciała stałe
płyny
ciecze
gazy
Czy takie scharakteryzowanie jest łatwe wystarczające?

Smoła - „Pitch drop experiment”
University of Queensland - Profesor Thomas Parnell w 1927 roku zapoczątkował wieloletni eksperyment, ilustrujący ciekłość i bardzo wysoką lepkość smoły.
W 1930 roku smoła przedostała się do końca szyjki lejka i została obcięta.
Po 7 kropli zapewniono stabilizację temperatury. 17 kwietnia 2014 roku, 9 kropla dotknęła kropli 8, a 24 kwietnia 2014 została od niej odseparowana podczas wymiany zlewki.
* Lepkość smoły jest 230·109 razy większa od lepkości H2O. Eksperyment potrwa jeszcze ponad 100 lat.

Gęstość
Gęstość to cecha materiałowa, która jest miarą ilości (masy) substancji w jednostce objętości.
Próbka jest dużo większa niż rozmiary atomów, a jej struktura jest „gładka” (ma stałą gęstość).
jednostką gęstości:

Ciężar właściwy
Ciężar właściwy definiowany jest jako stosunek ciężaru ciała do jego objętości.
γ (T) dla wody
γ (T) dla powietrza
lub:

Ciśnienie
Ciśnienie definiuje się jako stosunek siły działającej na pewną powierzchnię do jej pola powierzchni.
W przypadku równomiernie rozłożonego nacisku działającego na płaską powierzchnię.
W układzie SI Pascal jest jednostką gęstości:
p[Pa]

?
Komu lepiej jest dać się podeptać

Prawo Pascala
Jeżeli na płyn (ciecz lub gaz) znajdujący się w zamkniętym zbiorniku wywierane jest ciśnienie zewnętrzne, to (pomijając ciśnienie hydrostatyczne) ciśnienie wewnątrz tego zbiornika jest wszędzie jednakowe i równe ciśnieniu zewnętrznemu.
Blaise Pascal

Prawo Pascala - zastosowania

Paradoks Pascala
Doświadczenie zostało wykonane publicznie przez Blaise Pascala w 1648 roku. Udowodnił on, że ciśnienie zależy od wysokości słupa cieczy, a nie od ilości cieczy (co w tamtych czasach było stwierdzeniem paradoksalnym).

p0
Ciśnienie hydrostatyczne
=>
lub
S
h
ρ
Wyprowadzenie wzoru:

Ciśnienie hydrostatyczne

Naczynia połączone

Naczynia połączone

Parcie hydrostatyczne
Parcie hydrostatyczne jest to siła nacisku jaką płyn wywiera na daną powierzchnię. Siła ta jest prostopadła (normalna) do powierzchni.
Dla powierzchni płaskich oraz stałej wartości ciśnienia w każdym punkcie tej powierzchni:

Parcie hydrostatyczne

Ciśnienie atmosferyczne
Ciśnienie atmosferyczne to stosunek wartości siły, z jaką słup powietrza naciska na powierzchnię Ziemi (innej planety), do powierzchni, na jaką ten słup naciska. W górach ciśnienie jest niższe niż na nizinach, ponieważ słup powietrza ma różne wysokości (oraz różną gęstość na różnych wys.).

Przykład
Początkujący płetwonurek na głębokości L nabiera w płuca pełno powietrza, po czym porzuca on aparat tlenowy i wypływa na powierzchnię nie wypuszczając przy tym powietrza z płuc. Gdy nurek dociera do powierzchni wody, różnica pomiędzy ciśnieniem działającym na niego z zewnątrz, a ciśnieniem powietrza w jego płucach jest równa 9,3 kPa. Na jakiej głębokości nurek porzucił aparat tlenowy?
Zaraz po wdechu ciśnienie powietrza w płucach nurka wynosiło:
na powierzchni, różnica ciśnienia w płucach i ciśnienia zewnętrznego wynosiła:
otrzymujemy stąd:
Rozwiązanie:
Ciśnienie 9,3 kPa to około 9% ciśnienia atmosferycznego. Jest ono wystarczające aby rozerwać płuca! A 2-3 ml/kg powietrza we krwi może okazać się śmiertelne.

Pomiar ciśnienia
Przyrządy do pomiaru ciśnienia
BAROMETRY
do pomiaru ciśnienia
atmosferycznego
MANOMETRY
do pomiaru różnicy ciśnień np.
ciśnienia w oponach samochodowych
Bardziej szczegółowy podział:
absolutne, bezwzględne (barometry) – wskazują ciśnienie w odniesieniu do próżni,
różnicowe – wskazują różnicę ciśnień,
względne (manometry) – wskazują ciśnienie względem ciśnienia otoczenia (większe od niego),
wakuometry – wskazują ciśnienie względne, mniejsze od ciśnienia otoczenia (podciśnienie),
manowakuometry – wskazują ciśnienie względne większe oraz mniejsze od ciśnienia otoczenia.

Barometry
Evangelista Toricelli
zbudował w 1643 r. pierwszy barometr rtęciowy.
lewarowy
naczyniowy

Manometry
Manometr z rurką Bourdona:
1 – koło zębate sprzężone z wskazówką (6),
2 – dźwignia zębata,
3 – oś obrotu dźwigni zębatej (2),
4 – cięgno,
5 – sprężysta rurka,
6 – wskazówka,
7 – uchwyt,
8 – gwint do mocowania.
Manometr hydrostatyczny tzw. „U-rurka”.
Manometr membranowy:
1 – koło zębate sprzężone z wskazówką (5),
2 – trzpień z zębatką połączony z membraną (3),
4 – korpus,
5 – wskazówka.

Półkule magdeburskie
Otton von Guricke 8 maja 1654r

Prawo Archimedesa
„Każde ciało zanurzone w cieczy traci pozornie na ciężarze tyle ile wynosi ciężar cieczy wypartej przez to ciało.”
Ciężar ciała zanurzonego jest równy ciężarowi wypartej przez nie cieczy.

Prawo Archimedesa
Gęstość srebra i złota:
ρAg = 10490 kg/m3
ρAu = 19300 kg/m3

Pływanie ciał (unoszenie w powietrzu)