伯努利定律

伯努利定律

丹尼爾·伯努利在1726年提出了“伯努利原理”。這是在流體力學的連續介質理論方程建立之前,水力學所採用的基本原理,其實質是流體的機械能守恆。即:動能+重力勢能+壓力勢能=常數。其最為著名的推論為:等高流動時,流速大,壓力就小。伯努利原理往往被表述為p+1/2ρv2+ρgh=C,這個式子被稱為伯努利方程。式中p為流體中某點的壓強,v為流體該點的流速,ρ為流體密度,g為重力加速度,h為該點所在高度,C是一個常量。它也可以被表述為p1+1/2ρv12+ρgh1=p2+1/2ρv22+ρgh2。需要注意的是,由於伯努利方程是由機械能守恆推導出的,所以它僅適用於粘度可以忽略、不可被壓縮的理想流體。

基本信息

簡介

在一個流體系統,比如氣流水流中,流速越快,流體產生的壓力就越小,這就是被稱為“流體力學之父”的丹尼爾·伯努利1738年發現的“伯努利定律”。這個壓力產生的力量是巨大的,空氣能夠托起沉重的飛機,就是利用了伯努利定律。飛機機翼的上表面是流暢的曲面,下表面則是平面。這樣,機翼上表面的氣流速度就大於下表面的氣流速度,所以機翼下方氣流產生的壓力就大於上方氣流的壓力,飛機就被這巨大的壓力差“托住”了。

方程式

伯努利定律(圖)伯努利定律

v=流動速度

g=地心加速度(地球)

h=流體處於的高度(從某參考點計)

p=流體所受的壓強

ρ=流體的密度

定理假設

非粘滯-流體無需抵抗與容器壁之間的粘滯力

不可壓縮-氣體因其可壓縮性多不依循此定律;不可壓縮性可維持密度不變

穩定-高速流動會導致紊流的出現

推論過程

伯努利定律伯努利定律
設在右圖的細管中有理想流體在做定常流動,且流動方向從左向右,我們在管的a1處和a2處用橫截面截出一段流體,即a1處和a2處之間的流體,作為研究對象.設a1處的橫截面積為S1,流速為V1,高度為h1;a2處的橫截面積為S2,流速為V2,高度為h2.
如圖所示,經過很短的時間Δt,這段流體的左端S1由a1移到b1,右端S2由a2移到b2,兩端移動的距離為ΔL1和ΔL2,左端流入的流體體積為ΔV1=S1ΔL1,右端流出的體積為ΔV2=S2ΔL2.
因為理想流體是不可壓縮的,所以有
ΔV1=ΔV2=ΔV
作用於左端的力F1=p1S1對流體做的功為
W1=F1ΔL1=p1·S1ΔL1=p1ΔV
作用於右端的力F2=p2S2,它對流體做負功(因為右邊對這段流體的作用力向左,而這段流體的位移向右),所做的功為
W2=-F2ΔL2=-p2S2ΔL2=-p2ΔV
兩側外力對所選研究液體所做的總功為
W=W1+W2=(p1-p2)ΔV
又因為我們研究的是理想流體的定常流動,流體的密度ρ和各點的流速V沒有改變,所以研究對象(初態是a1到a2之間的流體,末態是b1到b2之間的流體)的動能和重力勢能都沒有改變.這樣,機械能的改變就等於流出的那部分流體的機械能減去流入的那部分流體的機械能,即
E2-E1=ρ()ΔV+ρg(h2-h1)ΔV
又理想流體沒有粘滯性,流體在流動中機械能不會轉化為內能
∴W=E2-E1
(p1-p2)ΔV=ρ(-))ΔV+ρg(h2-h1)ΔV
整理後得:整理後得:又a1和a2是在流體中任取的,所以上式可表述為上述兩式就是伯努利方程.當流體水平流動時,或者高度的影響不顯著時,伯努利方程可表達為該式的含義是:在流體的流動中,壓強跟流速有關,流速V大的地方壓強p小,流速V小的地方壓強p大.

伯努利家族

又譯作貝努利家族。17~18世紀瑞士的一個出過數理科學家多人的家族。其中較著名者譜系如下:
雅各布·伯努利(JakobBernoulli,或JacquesBernoulli,或JamesBernoulli)1654年12月27日生於瑞士巴塞爾,1705年8月16日卒於巴塞爾。他在機率論、微分方程、無窮級數求和、變分方法等方面有貢獻。數學分析中的伯努利數,機率論中的大數定律等都是以他名字命名的。他研究了柔鏈、薄片、風帆等在自重作用下的形狀。1694年他指出拉伸試驗中伸長量與拉伸力的□次冪成比例,□由實驗確定。1729年C.D.比爾芬格(1693~1750)根據雅各布第一1687年的實驗數據給出□為3/2。雅各布第一在1705年研究過細桿在軸向力作用下的彈性曲線問題。

約翰·伯努利(JohannBernoulli,或JeanBernoulli)1667年7月27日生於巴塞爾,1748年1月1日卒於巴塞爾。約翰對微分方程、變分方法等有貢獻。曾對其兄雅各布第一關於懸鏈線(即柔鏈在自重作用下的平衡曲線)作過解釋。1696年提出尋求能使質點從一已知點最快到達另一已知點的曲線問題,並給出這個問題的解,稱所得曲線為“最速降線”。1728年他在研究弦的振動中已知道基本振型正弦型的,但還不知道高階振型的性質,1742年研究過雙重擺(擺下掛一擺)大幅度擺動的微分方程。他一生中與同代科學家一百多人通信達兩千多次,討論了各種學術問題。著有《水力學》(1734)一書。

伯努利定律丹尼爾·伯努利
丹尼爾·伯努利(DanielBernoulli)1700年1月29日生於荷蘭格羅寧根,1782年3月17日卒于格羅寧根。1726~1733年在俄國彼得堡科學院主持數學部。後任植物學、解剖學、自然哲學教授。丹尼爾第一·伯努利以《水動力學,關於流體中力和運動的說明》(1738)一書著稱於世,書中提出流體力學的一個重要定理,反映了理想流體(不可壓縮、不計粘性的流體)中能量守恆定律,這個定理和相應的公式後稱為伯努利定理和伯努利公式。丹尼爾第一的固體力學論著很多。他對好友L.歐拉提出具體建議,使歐拉解出彈性壓桿失穩後的形狀,即獲得彈性曲線的精確結果。1733~1734年他和歐拉在研究上端懸掛的重鏈的振動問題中用了貝塞耳函式,並在由若干個重質點串連成的離散模型的相應振動問題中引用了拉蓋爾多項式。他在1735年獲得懸臂樑振動方程。1742年提出彈性振動理論中的疊加原理,並用具體的振動實驗進行驗證,他還考慮過不對稱浮體在液面上的晃動方程。
此外,丹尼爾第一之弟約翰第二(1710~1790)在1736年把光看作彈性介質中的壓力波,導得微分方程並用級數求出它的解。他的兒子雅各布第二(1759~1789)在研究板的彎曲時把板當作兩組互相正交的梁,並認為導出的四階偏微分方程是近似的,只是作為解板問題的一種初步嘗試予以發表(1789)。

物理學定律(1)

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