5. MECHANIKA KAPALIN A PLYNŮ
Kapaliny a plyna označujeme společným názvem tekutiny. Jestliže na volný povrch kapaliny o obsahu plochy S působí v rovnovážném stavu vnější síla F. Vznikne tlak p, který je ve všech místech kapaliny stejný (Pascalův zákon).
Působí-li na kapalin jen tíhová síla FG, vyvolá v hloubce h hydrostatický tlak P = h g. Jednotkou tlaku je Pascal (Pa).
Navšechna tělesa ponořená (zcela nebo částečně) do kapaliny působí hydrostatická vztlaková síla FVZ. Její vleikost závisí na objemu V ponořené části tělesa a na hustotě kapaliny podle vztahu FVZ = V g, kde g je tíhové zrychlení. Směr hydrostatické tíhové síly FVZ je svislý vzhůru. Obecně je vztah pro hydrostatickou vztlakovou sílu vyjádřen Archimédovým zákonem : Těleso so kapaliny ponořené je nadlehčováno hydrostatickou vztlakoovou silou, jejíž velikost se rovná tíze kapaliny stejného objemu, jako je objem ponořené části tělesa.
Pro ustálené proudění ideální kapaliny platí zákony zachování hmotnosti a energie, které jsou vyjádřeny rovnicí spojitosti (kontinuity) a Bernoulliho rovnicí.
Jestliže proudovou trubici o obsahu příčného řezu S proteče při ustáleném proudění kapaliny rychlostí v za 1 sekundu kapalina o objemu V = Sv, pak hmotnostní tok Qymy = Sv , kde je hustota kapaliny. Neuniká-li kapalina z trubice bočními stěnami, je hmotnostní tok Qymy v libovolném příčném řezu trubice stálý, tedy
Sv = konst. nebo Sv = konst.
Uvedený vztah se nazývá rovnice spojitosti (rovnice kontinuity).
Jestliže kapalina proudí vodorovnou proudovou trubicí, jejíž příčný řez má v různých místech různý obsah, a jestliže při tom zůstává v platnosti rovnice spojitosti, pak v místech o menším obsahu příčného řezu se musí zvětšit rychlost proudící kapaliny. podle zákona zachování mechanické energie však zvětšení zvětšení mechanické energie však zvětšení kinetické energie kapaliny v jednotkovém objemu v místech zúžení trubice má za následek zmenšení její tloakové energie. Součet tlakové a kinetické energie kapaliny v jednotkovém objemu je stálý, tedy
p + 0,5 v2 = konst.
Vztah se nazývá Bernoulliho rovnice.
Při proudění skutečné kapaliny vznikají v kapalině brzdící síly, tzv. síly vnitřního tření. Proto rychlost částic kapaliny není v celém průřezu trubice stejná; největší rychlost mají částice kapaliny v ose trubice, nejmenší u jejích stěn. Při ustáleném proudění o malých rychlostech jsou proudové vrstvy (proudová vlákna) rozloženy pravidelně - mluvíme o tzv. laminárním proudění. Při větších rychlostech se proudová vlákna proplétají a nastává víření kapaliny - mluvíme o tzv. turbulentním proudění.
Zákony mechaniky kapalin, tzv. hydromechaniky, platí také pro plyna. Studuje je obor zvaný aeromechanika. Jednou z důležitých úloh aeromechaniky je určení odporové síly, která vzniká při vzájemném pohybu tělesa a tekutiny. Velikost odporové síly, která působí proti pohybu, určíme při turbulentním obtékání tělesa z rovnice F = 0,5C Sv2, kde je hustota tekutiny, S je obsah příčného řezu profilu tělesa kolmého ke směru pohybu, v je velikost rychlosti tělesa vzhledem k prostředí a C je součinitel odporu, který je různý pro různé tvary těles, např. pro dutozu polokouli je C 1,4, pro těleso aerodynamického tvaru C 0,01.
|