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視覺物理和數學/流體動力學

來自華夏公益教科書

文丘裡效應

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從白色到藍色的漸變表示壓力的增加。管道最窄的地方壓力最低。這並不直觀,特別是如果我們想到人群透過狹窄的門。但我們透過推理流體元素所經歷的力來解釋它。為了穿過收縮部分,它首先被加速,就像從後面被推一樣。因此,它後面的壓力高於它前面的壓力。穿過收縮部分後,它被制動。因此,它前面的壓力高於它後面的壓力。因此,收縮部位是壓力最小的地方。

(通常,我們在管道中進行文丘裡效應。在這裡,流動是二維的,它是由茹科夫斯基變換計算的。我們必須想象一種在兩塊平行板之間流動的流體。收縮部位就像每塊板上的一座山谷。)

為什麼飛機有翅膀?

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迎角(機翼相對於水平線的傾斜角度,這裡與實際情況相比被大大誇大了)要求空氣在機翼上方流動的速度比下方更快。與文丘裡效應一樣,空氣的加速導致壓力降低。因此,機翼下方的壓力高於機翼上方的壓力。這就是飛機被機翼承載的原因。


圓柱體周圍的完美流體

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就在圓柱體前面,流體幾乎靜止。因此它被減速了。因此,圓柱體前部的壓力高於上游的壓力,正如預期的那樣。就在圓柱體後面,流體也幾乎靜止。因此,它被加速以加入下游的流動。因此,圓柱體後部的壓力高於下游的壓力,這與人們的預期相反。如果流體沒有粘性,那麼圓柱體後部和前部的壓力會完全相互抵消,因此圓柱體不會被流動拖動,就像一個人可以在急流中放腿而不被拖向下遊,或者像一個彈丸可以穿過空氣而不被減速一樣。為了解釋阻力,必須考慮粘性(流體摩擦力)和湍流。

卡門渦街

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五十萬個硬碟相互碰撞,阻礙它們流動。


馬格努斯效應

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如何讓對手感到驚訝?透過向他發射一個旋轉的球。

模擬機翼和帆上的力

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一百萬個硬碟相互碰撞。沒有吸引力,只有排斥力。兩種顏色代表兩種物質的分子。兩種不同物質的分子之間的反彈距離大於兩種相同物質的分子之間的距離。這足以導致相同物質的分子彼此靠近,兩種流體分離,並在兩個相之間出現線張力。這種二維流體中的線張力相當於三維流體中的表面張力(使液滴、氣泡和平面液體表面出現張力的張力)。因此,分子間吸引力不是導致表面張力出現的必要條件。

壓力和海拔

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一個二維硬碟氣體,最初處於靜止狀態,在重力的作用下坍縮,並達到一個平衡狀態,其中壓力隨著海拔高度的增加而降低。


阿基米德浮力

受重力影響的硬碟相互碰撞。較大的黃色圓盤在其底部所承受的壓力大於其頂部所承受的壓力。這就是它像熱氣球一樣被流體承載的原因。

阿基米德浮力是在浸沒在流體中的固體上施加的壓力力的總和。在重力作用下處於平衡狀態的流體中,它是向上指向的。如果固體也處於平衡狀態,則阿基米德浮力恰好等於它的重量,這也是固體所佔流體體積的重量。

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