3) пропорциональны соответствующие члены строк 2 и 3, т. е.
где а – некоторая постоянная величина; если подставить (3) в (2), то получим уравнение линий тока (1), поскольку из (3) следует:
ω>x= aUx; ω>y= aUy; ω>z= aUz. (4)
Здесь следует интересный вывод о том, что векторы линейной скорости и угловой скорости сонаправлены, то есть параллельны.
В более широком понимании надо представить себе следующее: так как рассматриваемое движение установившееся, то получается, что частицы жидкости движутся по спирали и их траектории по спирали образуют линии тока. Следовательно, линии тока и траектории частиц – одно и то же. Движение такого рода называют винтовым.
4) вторая строка определителя (точнее, члены второй строки) равна нулю, т. е.
ω>x= ω>y= ω>z= 0. (5)
Но отсутствие угловой скорости равносильно отсутствию вихревости движения.
5) пусть строка 3 равна нулю, т. е.
Ux = Uy = Uz = 0.
Но это, как нам уже известно, условие равновесия жидкости.
Анализ уравнения Бернулли завершен.
27. Примеры прикладного применения уравнения Бернулли
Во всех случаях требуется определить математическую формулу потенциальной функции, которая входит в уравнение Бернулли: но эта функция имеет разные формулы в разных ситуациях. Ее вид зависит от того, какие массовые силы действуют на рассматриваемую жидкость. Поэтому рассмотрим две ситуации.
Одна массовая сила
В этом случае подразумевается сила тяжести, которая выступает в качестве единственной массовой силы. Очевидно, что в этом случае ось Z и плотность распределения Fz силы Ппротивонаправлены, следовательно,
Fx = Fy = 0; Fz = —g.
Поскольку – dП = Fxdx + Fydy + Fzdz, то – dП = Fzdz,окончательно dП = —gdz.
Интегрируем полученное выражение:
П = —gz + C, (1)
где С – некоторая постоянная.
Подставив (1) в уравнение Бернулли, имеем выражение для случая воздействия на жидкость только одной массовой силы:
Если разделить уравнение (2) на g (поскольку оно постоянное), то
Мы получили одну из самых часто применяемых в решении гидравлических задач формул, поэтому следует ее запомнить особенно хорошо.
Если требуется определить расположение частицы в двух разных положениях, то выполняется соотношение для координат Z>1 и Z>2, характеризующие эти положения
Можно переписать (4) в другой форме
28. Случаи, когда массовых сил несколько
В этом случае усложним задачу. Пусть на частицы жидкости действуют следующие силы: сила тяжести; центробежная сила инерции (переносит движение от центра); кориолисовая сила инерции, которая заставляет частицы вращаться вокруг оси Z с одновременным поступательным движением.
В этом случае мы получили возможность представить себе винтовое движение. Вращение происходит с угловой скоростью w. Нужно представить себе криволинейный участок некоторого потока жидкости, на этом участке поток как бы вращается вокруг некоторой оси с угловой скоростью.
Частным случаем такого потока можно считать гидравлическую струю. Вот и рассмотрим элементарную струйку жидкости и применим в отношении к ней уравнение Бернулли. Для этого поместим элементарную гидравлическую струю в координатную систему XYZ таким образом, чтобы плоскость YOX вращалась вокруг оси O>Z.
Будем считать, что U – местная скорость жидкости во вращающейся плоскости YOX. Пусть
Fx>1= Fy>1= 0; Fz>1=—g —
составляющие силы тяжести (то есть ее проекции на оси координат), отнесенные к единичной массе жидкости. К этой же массе приложена вторая сила – сила инерции ω>2r, где r – расстояние от частицы до оси вращения ее компоненты.
Fx>2= ω>2x; Fy>2= ω>2y; Fz>2= 0
из-за того, что ось OZ «не вращается».
Окончательно уравнение Бернулли. Для рассматриваемого случая:
Или, что одно и то же, после деления на g
Если рассмотреть два сечения элементарной струйки, то, применив вышеуказанный механизм, легко убедиться, что
где z>1, h>1, U>1, V>1, z>2, h>2, U>2, V>2 – параметры соответствующих сечений
29. Энергетический смысл уравнения Бернулли
Пусть теперь имеем установившееся движение жидкости, которая невязкая, несжимаемая.
И пусть она находится под воздействием сил тяжести и давления, тогда уравнение Бернулли имеет вид:
Теперь требуется идентифицировать каждое из слагаемых. Потенциальная энергия положения Z – это высота элементарной струйки над горизонтальной плоскостью сравнения. Жидкость с массой М на высоте Z от плоскости сравнения имеет некоторую потенциальную энергию MgZ. Тогда
Это та же потенциальная энергия, отнесенная к единичной массе. Поэтому Z называют удельной потенциальной энергией положения.
Движущаяся частица с массой Ми скоростью u имеет вес MG и кинематическую энергию U2/2g. Если соотнести кинематическую энергию с единичной массой, то
Полученное выражение есть не что иное, как последнее, третье слагаемое в уравнении Бернулли. Следовательно, U>2/ 2 – это удельная кинетическая энергия струйки. Таким образом, общий энергетический смысл уравнения Бернулли таков: уравнение Бернулли представляет собой сумму, содержащую в себе полную удельную энергию сечения жидкости в потоке:
1) если полная энергия соотнесена с единичной массой, то она есть сумма gz + p/ρ + U>2/ 2;
2) если полная энергия соотнесена с единичным объемом, то ρgz + p + pU