Trong chuyển động hỗn loạn của mình, các hạt phân tử có thể chuyển động tương đối với nhau một cách hoàn toàn ngẫu nhiên, điều này giải thích tại sao chất lưu luôn có hình dạng thay đổi [r]
(1)CHƯƠNG 5: CƠ HỌC CHẤT LƯU § CHẤT LƯU LÀ GÌ Ðặc điểm chất lưu + Chất lưu bao gồm chất lỏng và chất khí Về mặt học có thể coi chất lưu môi trường liên tục tạo thành các chất điểm liên kết với nhờ nội lực tương tác, phụ thuộc vào khoảng cách các phân tử + Các phân tử chất lưu lỏng và khí liên kết với không bền vững Trong chuyển động hỗn loạn mình, các hạt phân tử có thể chuyển động tương cách hoàn toàn ngẫu nhiên, điều này giải thích chất lưu luôn có hình dạng thay đổi mà không phải cố định vật rắn + Ở điều kiện bình thường khoảng cách trung bình các hạt phân tử chất lỏng không đổi quá trình chuyển động hỗn loạn, nên chất lỏng không có hình dạng riêng (có hình dạng bình đựng nó), có thể tích không đổi Vì chất lỏng xem là không chịu nén tác động ngoại lực + Các phân tử chất khí liên kết yếu với nhau, vì khối không khí không có hình dạng riêng không có thể tích riêng mình Trong chất khí, lực đẩy các phân tử xuất các phân tử bị nén đến khoảng cách khá nhỏ Ở điều kiện bình thường chất khí bị nén dễ dàng + Khi chất lưu nhớt chuyển động, các lớp nó chuyển động với vận tốc khác nhau, xuất lực nội ma sát, lớp chuyển động nhanh kéo lớp chuyển động chậm, lớp chuyển động chậm ngăn cản lớp chuyển động nhanh + Chất lưu lí tưởng (không nhớt - không có nội ma sát các lớp chất lưu) § CHẤT LƯU Ở TRẠNG THÁI NGHỈ 2.1 Khối lượng riêng và áp suất 2.1.1 Khối lượng riêng Trong môi trường chất lưu liên tục và đồng nhất, khối lượng riêng là khối lượng đơn vị thể tích chất lưu đó m V Ðối với chất lỏng người ta còn sử dụng khái niệm tỉ trọng: Tỉ trọng chất lỏng nào đó là tỉ số khối lượng riêng chất lỏng đó khối lượng riêng nước nguyên chất cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất Tỉ trọng là đại lượng không có đơn vị 2.1.2 Áp suất Áp lực Khi bơi lội thật sâu nước ta cảm thấy tai bị đau, đó là áp lực nước đè lên màng nhĩ Khi có vật rắn tiếp xúc với chất lỏng thì các phân tử chất lỏng tác dụng lực vào vật rắn tiếp xúc với nó Lực tác dụng này phân bố trên toàn diện tích tiếp xúc Nguyên nhân tạo áp suất Vì phân tử chất lưu luôn luôn chuyển động hỗn loạn nên nó va chạm vào bề mặt tiếp xúc với vật rắn, nó truyền xung lượng cho vật rắn Vậy biến thiên xung lượng các phân tử chất lưu là nguyên nhân tạo áp lực lên mặt tiếp xúc 2.1.2 Áp suất F Áp suất p chất lưu điểm ta khảo sát: p S Trong hệ SI, đơn vị áp suất là Pa (Paxcan) Pa N m2 Trong kỹ thuật + atmotphe (atm) = 760 mmHg = 760 Torr + Torr áp suất gây cột thủy ngân cao mm Lop11.com (2) ÐỊNH LUẬT PASCAL Trạng thái cân chất lưu Trạng thái mà đó không có chuyển động tương đối các phần khác chất lưu với nhau, ta bỏ qua chuyển động hỗn loạn các phân tử chất lưu Một ly nước đứng yên trên bàn là ví dụ trạng thái cân Ðịnh luật Pascal Khi chất lưu trạng thái cân thì áp suất điểm lòng chất lưu là phân bố theo phương Nghĩa là áp suất điểm đó phân bố theo phương có độ lớn Ðể chứng minh ta xét lăng trụ tam giác vuông nhỏ (OABCMN) tách cách tưởng tượng bên lòng chất lỏng Ba cạnh đáy hình lăng trụ là : OA = x , OB = y và AB - Khi khối lăng trụ co lại thành điểm, áp suất PA, PB, PAB là các áp suất cùng điểm bên chất lỏng Mặt khác, vì định hướng khối lăng trụ là tùy ý tức là phương OA, OB, AB có thể chọn nên ta đến kết luận là áp suất chất lỏng điểm theo phương là Nếu chất lỏng đứng yên và chịu tác dụng áp suất nào đó từ bên ngoài thì áp suất đó chất lỏng truyền theo phương với cùng độ lớn Lop11.com (3) ÐỊNH LUẬT ARCHIMÈDE 2.2 Định luật chất lưu trạng thái nghỉ Xét mẫu chất lỏng diện tích mặt đáy S, nằm cân khối chất lỏng Mặt (1) độ sâu y1, áp suất p1; Mặt (2) độ sâu y2, áp suất p2 Thể tích mẫu chất lỏng : S(y2-y1) Khối lượng mẫu chất lỏng : ρS(y2-y1) Các ngoại lực p1S; p2S; mg Để làm rõ áp suất áp kế ta xét phong vũ biểu thủy ngân Một ống thủy tinh dài chứa đầy thủy ngân, lộn ngược ống và cho miệng ống chìm chậu thủy ngân Khoảng không gian trên cột thủy ngân chứa thủy ngân có áp suất không đáng kể Ví dụ 5.1 Một ống chử U chứa hai chất lỏng trạng thái tĩnh, nhánh phải chứa nước có khối lượng riêng ρn, nhánh trái chứa dầu có khối lượng riêng ρd Phép đo cho thấy l và d Xác định khối lượng riêng dầu ρd § CHẤT LƯU LÝ TƯỞNG CHUYỂN ĐỘNG 3.1 Định luật bảo toàn dòng Lop11.com (4) Ta nghiên cứu chất lưu lý tưởng là chất lưu không nén, không có nội ma sát, chuyển động dừng (chảy ổn định – vận tốc chất lưu điểm cố định nào không thay đổi theo thời gian) Một chất lưu mà đó không có nội ma sát và không chịu nén thì gọi là chất lưu lý tưởng + Đường dòng: Là đường vạch phần tử nhỏ hạt chất lưu quá trình chảy ổn định Véc tơ vận tốc điểm tiếp tuyến với đường dòng điểm đó Các đường dòng không cắt + Đường dòng: Là đường vạch phần tử nhỏ hạt chất lưu quá trình chảy ổn định Véc tơ vận tốc điểm tiếp tuyến với đường dòng điểm đó Các đường dòng không cắt Đường dòng là đường cong mà tiếp tuyến điểm nó có phương trùng với vetơ vận tốc trường thời điểm t Đường dòng cho ta hình ảnh phương vận tốc điểm không gian Đường dòng khác với quỹ đạo hạt chất lỏng • Đường dòng là đường mà tiếp tuyến nó trùng với vectơ vận hạt chất lỏng khác cùng thời điểm t • Quỹ đạo hạt chất lỏng là đường cong hạt vạch nên không gian theo thời gian Nếu chuyển động chất lỏng là dừng thì đường dòng không thay đổi theo thời gian và đường dòng trùng với quỹ đạo hạt chất lỏng + Ống dòng: Tập hợp các đường dòng tựa trên đường cong kín gọi là ống dòng Các hạt chất lỏng chuyển động ống dòng không thể ngoài ống dòng Định luật bảo toàn dòng Phương trình còn gọi là phương trình liên tục Phát biểu: Ðối với ống dòng đã cho, tích vận tốc chảy chất lưu lý tưởng với tiết diện thẳng ống nơi là đại lượng không đổi Ý nghĩa: Khi chất lưu chảy trên đường ống có tiết diện khác thì vận tốc nhỏ nơi có tiết diện lớn và vận tốc lớn nơi có tiết diện nhỏ 3.2 Định luật Bécnul Khảo sát chuyển động dừng chất lưu lý tưởng trọng trường Lop11.com (5) Áp dụng định luật bảo toàn lượng cho chuyển động này Ví dụ 5.2 Tìm vận tốc mà chất lỏng chảy từ lỗ nhỏ bên cạnh bình có tiết diện ngang lớn, lỗ nằm cách mặt thoáng0,2 m (cho g = 10 m/s2) Trong chất lưu lý tường chảy dừng áp suất toàn phần gồm áp suất động, áp suất thủy lực và áp suất tĩnh thì tất tiết diện ngang ống Lop11.com (6) § HIỆN TƯỢNG NỘI MA SÁT Định luật Stốc (Stockes) Sự rơi vật chất lưu Vận tốc tới hạn Lop11.com (7) § HỆ SỐ NỘI MA SÁT Trong chất lưu thực chuyển động có các lực nội ma sát, xuất các lớp chất lưu chuyển động Các tính chất chất lưu có liên quan đến xuất lực nội ma sát thì gọi là tính nhớt Hệ số nhớt chất lưu là đại lượng đặc trưng cho mức độ mà chất lưu gây tượng nội ma sát a) Nguyên nhân gây ma sát bên chất lưu? Khảo sát tương tác hai lớp chất lưu chuyển động dừng cách khoảng dy, có vận tốc tương ứng là v và (v +dv) Khi chất lưu chuyển động, lớp phân tử chất lưu này tương tác với lớp phân tử chất lưu khác lực tương tác phân tử Mặt khác có trao đổi phân tử tức là trao đổi xung lượng hai lớp với nhau: các phân tử chuyển động từ lớp chuyển động nhanh sang lớp chuyển động chậm làm tăng tổng xung lượng lớp chuyển động chậm Ngược lại phân tử chuyển từ lớp chuyển động chậm sang lớp chuyển động nhanh làm giảm tổng xung lượng lớp chuyển động nhanh Sự trao đổi xung lượng và tương tác phân tử các lớp sinh tượng ma sát bên chất lưu b) Độ lớn lực ma sát bên chất lưu Lop11.com (8) Lop11.com (9)