Bernoulli s lov. Med eksempler fra Hydrodynamik og aerodynamik. Indhold

Relaterede dokumenter
Opdrift og modstand på et vingeprofil

Tryk. Tryk i væsker. Arkimedes lov

Danmarks Tekniske Universitet

Kaotisk kuglebevægelse En dynamisk analyse

Måling af turbulent strømning

1. Tryk. Figur 1. og A 2. , der påvirkes af luftartens molekyler med kræfterne henholdsvis F 1. og F 2. , må der derfor gælde, at (1.1) F 1 = P.

Naturvidenskabeligt grundforløb

Grundlæggende fluid mekanik

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Torsdag d. 7. august 2014 kl

Opdrift i vand og luft

Dynamik. 1. Kræfter i ligevægt. Overvejelser over kræfter i ligevægt er meget vigtige i den moderne fysik.

Funktioner generelt. for matematik pä B-niveau i stx Karsten Juul

Når enderne af en kobbertråd forbindes til en strømforsyning, bevæger elektronerne i kobbertråden sig (fortrinsvis) i samme retning.

Integralregning Infinitesimalregning

Kræfter og Energi. Nedenstående sammenhæng mellem potentiel energi og kraft er fundamental og anvendes indenfor mange af fysikkens felter.

Danmarks Tekniske Universitet

Eksponentielle sammenhænge

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Tirsdag d. 31. maj 2016 kl

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Fredag d. 2. juni 2017 kl

Bevægelse med luftmodstand

Danmarks Tekniske Universitet

Impulsbevarelse ved stød

Placering af vindmøller Denne øvelse er lavet af: Lavet af Martin Kaihøj, Jørgen Vind Villadsen og Dennis Noe. Rettet til af Dorthe Agerkvist.

0BOpgaver i tryk og gasser. 1BOpgave 1

Her skal vi se lidt på de kræfter, der påvirker en pil når den affyres og rammer sit mål.

Matematik A. Højere teknisk eksamen

Teoretiske Øvelser Mandag den 13. september 2010

Eksamen i fysik 2016

Introduktion til aerodynamik

Enkelt og dobbeltspalte

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Tirsdag d. 27. maj 2014 kl

Første og anden hovedsætning kombineret

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 13

Hastighedsprofiler og forskydningsspænding

Massefylden af tør luft ved normalt atmosfærisk tryk ved havets overade ved 15 C bruges som standard i vindkraftindustrien og er lig med 1, 225 kg

1. Beregn sandsynligheden for at samtlige 9 klatter lander i felter med lige numre.

Tilstandsligningen for ideale gasser

Impuls og kinetisk energi

Elektromagnetisme 7 Side 1 af 12 Elektrisk strøm. Elektrisk strøm

Erik Vestergaard 1. Gaslovene. Erik Vestergaard

Danmarks Tekniske Universitet

MatBio. = r K xy, dx dt. = r xy. (2)

Danmarks Tekniske Universitet

Energien i Vinden Redigeret

U = φ. R = ρ l A. Figur 1 Sammenhængen mellem potential, φ og spændingsfald, U: U = φ = φ 1 φ 2.

Start pä matematik. for gymnasiet og hf (2012) Karsten Juul

DETTE OPGAVESÆT INDEHOLDER 5 OPGAVER MED IALT 11 SPØRGSMÅL. VED BEDØMMELSEN VÆGTES DE ENKELTE

Differential- ligninger

1. Hvor lang tid tager det at blive trukket op til højden 20 m?

STUDENTEREKSAMEN MAJ 2007 Vejledende opgavesæt nr. 1 FYSIK A-NIVEAU. Xxxxdag den xx. måned åååå. Kl STX071-FKA V

1. Bevægelse med luftmodstand

Theory Danish (Denmark)

Elektromagnetisme 7 Side 1 af 12 Elektrisk strøm. Elektrisk strøm

MATEMATIK A-NIVEAU. Anders Jørgensen & Mark Kddafi. Vejledende eksempler på eksamensopgaver og eksamensopgaver i matematik, 2012

Bølgeligningen. Indhold. Udbredelseshastighed for bølger i forskellige stoffer 1

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Mandag d. 11. juni 2012 kl

MM501 forelæsningsslides

Sabatiers princip (TIL LÆREREN)

Anvendelser af integralregning

Skråplan. Dan Elmkvist Albrechtsen, Edin Ikanović, Joachim Mortensen. 8. januar Hold 4, gruppe n + 1, n {3}, uge 50-51

Rektangulær potentialbarriere

Profil af et vandløb. Formål. Teori

Bedste rette linje ved mindste kvadraters metode

Differential- regning

Aalborg Universitet. Skriftlig eksamen i Grundlæggende Mekanik og Termodynamik. Tirsdag d. 2. juni 2015 kl

hvor A er de ydre kræfters arbejde på systemet og Q er varmen tilført fra omgivelserne til systemet.

Præsentation af Model til beregning af spredning fra klapning af uddybningsmaterialer. Præsenteret af Jan Dietrich. 21.

Rækkeudvikling - Inertialsystem. John V Petersen

Løsningsforslag til fysik A eksamenssæt, 23. maj 2008

Statistisk mekanik 12 Side 1 af 9 Van der Waals-gas

Undersøgelse af flow- og trykvariation

MODUL 5 ELLÆRE: INTRONOTE. 1 Basisbegreber

Dronninglund Gymnasium Fysik skriftlig eksamen 27. maj 2011

Danmarks Tekniske Universitet

Kapitel 3 Lineære sammenhænge

Elementær Matematik. Funktioner og deres grafer

STUDENTEREKSAMEN MATHIT PRØVESÆT MAJ MATEMATIK A-NIVEAU. MATHIT Prøvesæt Kl STXA-MATHIT

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 11

MATEMATIK A-NIVEAU Vejledende eksempler på eksamensopgaver og eksamensopgaver i matematik, 2012 Differentialligninger

7 QNL 2PYHQGWSURSRUWLRQDOLWHW +27I\VLN. 1 Intro I hvilket af de to glas er der mest plads til vand?: Hvorfor?:

Opstilling af model ved hjælp af differentialkvotient

Projekt 3.7. Pythagoras sætning

Dansk Fysikolympiade 2007 Landsprøve. Prøven afholdes en af dagene tirsdag den 9. fredag den 12. januar. Prøvetid: 3 timer

Skråplan. Esben Bork Hansen Amanda Larssen Martin Sven Qvistgaard Christensen. 2. december 2008

Elektromagnetisme 13 Side 1 af 8 Maxwells ligninger. Forskydningsstrømme I S 1

Den Naturvidenskabelige Bacheloreksamen Københavns Universitet. Fysik september 2006

Løsninger til udvalgte opgaver i opgavehæftet

AARHUS UNIVERSITET. Det Naturvidenskabelige Fakultet Augusteksamen OPGAVESTILLER: Allan H. Sørensen

Elektromagnetisme 3 Side 1 af 8 Dielektrika 1. Elektrisk dipol

1. G fysik Elevbog LaboratoriumforSammenhængendeUddan g n i r æ L g o e s l e n

z j 2. Cauchy s formel er værd at tænke lidt nærmere over. Se på specialtilfældet 1 dz = 2πi z

Newton-Raphsons metode

MM501 forelæsningsslides

Energitekniske grundfag 5 ECTS

Energitekniske grundfag 5 ECTS

Puls og g-påvirkning. Efterbehandlingsark 1. Hjertet som en pumpe. Begreber: Sammenhæng mellem begreberne: Opgave 1. Opgave 2

Rapport uge 48: Skråplan

Energien i Vinden. Side 1 af 16. Hvor meget af vindens energi kan man udnytte?? Senest Redigeret 21/

MATEMATIK A-NIVEAU. Anders Jørgensen & Mark Kddafi. Vejledende eksempler på eksamensopgaver og eksamensopgaver i matematik, 2012.

Transkript:

Bernoulli s lov Med eksempler fra Indhold 1. Indledning...1 2. Strømning i væsker...1 3. Bernoulli s lov...2 4. Tømning af en beholder via en hane i bunden...4 Ole Witt-Hansen Køge Gymnasium 2008

Bernoulli s lov 1 1. Indledning Formålet med denne note er at udlede en af de mest grundlæggende lovmæssigheder i hydro- og aerodynamikken, som er opkal efter den store fysiker og matematiker Bernoulli, og som bærer hans navn. Bernoulli s lov er først udle for laminar (dvs. ikke turbolent) strømning i væsker og gasser. Tubolent strømning betyder, at der er strømhvirvler. Turbulent strømning er næsten matematisk utilgængeligt. 2. Strømning i væsker En stationær strømning betyder, at hastigheden af enhver væskepartikel på et givet sted er uforandret i størrelse og retning. En strømningslinie er en linie, der følger en væskepartikel. Ved laminar strømning, kan strømningslinierne ikke være lukkede kurver. I det følgende vil vi konsekvent anvende d i stedet for Δ til at betegne små (faktisk uendelig små) tilvækster. For eksempel dv i stedet for Δv, ds i stedet for Δs. På denne måde bliver forholdet mellem to tilvækster til en differentialkvotient, f.eks: v ds På figuren er afgrænset et rør, som følger strømningslinierne. (et kunne go være et virkeligt rør, som væsken (viscositetsfrit) strømmede igennem, men det er uvæsentligt). Vi antager først at væsken er inkompressibel (usammentrykkelig), altså at massefylden ρ er den same overalt, hvilket gælder for væsker, men ikke for gasser. Væsken bevæger sig langsommere ved A 1 end ved A 2 fordi røret er tykkere på dette sted. I tidsrummet forskydes væsken stykket ds 1 ved A 1, og stykket ds 2 ved A 2. Væskerumfangene dv 1 = A 1 ds 1 og dv 2 = A 2 ds 2 må være ens, (da ρ er konstant) og da ds 1 =v 1 og ds 2 =v 2 finder man: A 1 v 1 = A 2 v 2, eller (2.1) A 1 v 1 = A 2 v 2 (langs en strømningslinie) Hvis væsken (eller gassen) er kompressibel, vil det i stedet være masserne dm 1 og dm 2, der er ens i de to rumfang dv 1 og dv 2. dm 1 = dm 2 <=> ρ 1 dv 1 = ρ 2 dv 2 <=> ρ 1 A 1 v 1 = ρ 2 A 2 v 2 (2.2) ρ 1 A 1 v 1 = ρ 2 A 2 v 2 Hvor ρ 1 og ρ 2 er massefylderne ved (1) og (2) henholdsvis. Ligningen (2.2) har mange andre anvendelser end ved væskestrømning. en er for eksempel grundlaget for analyse af trafikale problemer (kødannelse) på motorveje. I denne sammenhæng betyder ρ tætheden af biler (som ikke er konstant) og v er hastigheden på et bestemt sted.

Bernoulli s lov 2 Hvis der hverken forsvinder eller bliver tilført biler, så fremgår det af ligningen, at hvis hastigheden formindskes, så bliver tætheden tilsvarende forøget. a der er en naturlig grænse for tætheden for biler på en motorvej, så vil trafikken gå i stå, når denne tæthed nås. På samme måde, hvis antallet af vejbaner halveres, så skal hastigheden enten fordobles (næppe!) eller tætheden skal fordobles. et sidste er velken. 3. Bernoulli s lov Vi vil nu udlede Bernoulli s lov, som giver sammenhængen mellem trykket p i et punkt af væsken og strømningshastigheden v i dette punkt. Vi ser igen på et rør, som følger strømningslinierne. Når væsken forskubbes fra (a) til (b) ved (1), så forskubbes den fra (c) til (d) ved (2). Alle størrelser med indeks (1) er placeret i det nederste område, og allestørrelser med indeks (2) er fra det øverste område. (Se figuren). et gælder fx trykkene p 1 og p 2. et samlede arbejde, der udføres på væsken er da =F 1 ds 1 F 2 ds 2. Idet F = pa, kan et skrives. (3.1) da = p 1 A 1 ds 1 p 2 A 2 ds 2 = p 1 dv 1 p 2 dv 2 Hvis væsken er inkompressibel er dv 1 = dv 2. Vi anvender nu den generelle sætning: Hvis man ser bort fra gnidning (her viscositet), så er: Udført arbejde = tilvæksten i energi. (3.2) da = de kin + de pot en kinetiske energi af væsken mellem (b) og (c) er Uændret, da det er en stationær strømning. erfor er tilvæksten i kinetisk energi forskellen mellem de kinetiske energier af væsken af de to væskerumfang ved (2) og (1). de kin = ½(dm 2 ) v 2 2 - ½(dm 1 ) v 1 2 hvor dm 1 = dm 2 = ρdv Heraf får man: (3.3) de kin = ½ ρ v 2 2 dv - ½ρ v 2 1 dv På samme måde får man for den potentielle energi E pot = mgy (Lodrette akse betegnes y) (3.4) de pot = (dm 2 )g y 2 - (dm 1 )g y 1 = ρ g y 2 dv - ρ g y 1 dv isse (3.1), (3.3) og (3.4) indsættes nu i (3.2). p 1 dv p 2 dv = ½ ρ v 2 2 dv - ½ρ v 2 1 dv + ρ g y 2 dv - ρ g y 1 dv Efter bortforkortning af dv, og ordning efter indeks (1) og (2) på venstre og højre side, får man.

Bernoulli s lov 3 p 1 + ½ρ v 1 2 + ρ g y 1 = p 2 + ½ ρ v 2 2 + ρ g y 2 enne ligning kaldes for Bernoulli s lov og den urykker, at (3.5) p + ½ρ v 2 + ρ g y = konstant (langs en strømningslinie). Vi har udle Bernoulli s lov under 3 forudsætninger: 1) Laminar strømning (ingen turbulens/strømhvirvler) 2) Viscositetsfri væske (gas) (Intet energitab som følge af gnidning). 3) Inkompressibel (usammentrykkelig) væske (gas). et er yderst sjældent at alle disse tre betingelser er opfyl samtidig, men alligevel danner Bernoulli s lov grundlaget for de fleste teoretiske beregninger i hydrodynamikken. I aerodynamikken er man i almindelighed henvist til empiriske (ud fra forsøg) lovmæssigheder og vinunnelforsøg. Alligevel giver Bernoulli s lov en kvalitativ forklaring på, hvorfor det er muligt at flyve (uden at baske med vingerne) noget altid har været (og er) et mysterium for de fleste. Figuren demonstrerer Bernoulli s lov. en viser en flyvemaskinevinge. På grund af vingens form, skal luften passere en længere vej over vingen, end under vingen, og luften over vingen får dermed en større hastighed. Ifølge Bernoulli s lov betyder dette, at trykket på oversiden er mindre end trykket på undersiden. et er denne trykforskel, der giver en opdrift, som kompenserer for tyndekraften på maskinen. Flykonstruktion er baseret på ingeniørkunst, erfaring og vinunnelforsøg mere end på teoretiske beregninger. Aerodynamik er overordentlig kompliceret, især når der kommer turbulens og det gør der! 3.6 Eksempel: For at illustrere Bernoulli s lov, vil vi lave et enkelt (urealistisk) regneeksempel. Vi antager, at hastigheden er 20% større på oversiden af vingen. Vi finder da fra Bernouli s lov: (der er ikke noget bidrag fra potentiel energi). p 1 + ½ρ v 2 = p 2 + ½ ρ (1,2v) 2 => Δp = p 1 p 2 = ½ ρ 0,44v 2. Indsætter man ρ= ρ luft = 1,29 kg/m 3, v = 360 km/h = 100 m/s, finder man: Δp =2,84 10 3 N/m 2 =2,84 10-2 atm = 284 kp/m 2. 1 atm. 10 5 N/m 2 1 kp/m 2. Med et vingefang å 20 m 2 svarer dette til en opdrift på: 284 kp/m 2 20 m 2 = 5.680 kp. ette svarer til tyngden af 5,68 ton.

Bernoulli s lov 4 4. Tømning af en beholder via en hane i bunden Vi betragter en beholder fyl med viscositetsfri væske op til en højde over udløbsventilen (studsen) i bunden. Væsken har massefylden. Vi anvender herefter Bernoullis lov, men udelader leddet med tryk, da vi antager at det ydre tryk er det samme på overfladen, som i bunden, og vi erstatter y med h til at betegne dybden (4.1) ½ρ v 1 2 + ρ g h 1 = ½ ρ v 2 2 + ρ g h 2 Ved overfladen h = 0 er v = 0, og i dybden h er hastigheden v. Herved giver Bernoullis lov det samme som gælder for et frit fald i tyngdefeltet: (4.2) ½ ρ v 2 + ρ g(-h) = 0 v 2gh v er hastigheden, hvormed væsken løber ud af hanen. Hvis massen af væsken i beholderen er m = m(t), og hvis røret til hanen har tværsnitsarealet, gælder der kontinuitetsligningen for den mængde væske dm, der i tidsrummet strømmer ud gennem hanen. dm v. (Minustegnet fordi m aftager). Hvis beholderens tværsnit er A, er samtidig m = Ah, så dm dm Ved at sætte de to uryk for lig med hinanden, finder man: dh A dh A v og indsættes ud- trykket v 2gh, får man en differentialigning for h. dh dh (4.3) A 2gh 2g h A Ligningen kan løses ved separation: dh h h dh t 2 g 2g h A 0 h A 0 2 h 2 h0 2g t h h0 A 2g 2A t

Bernoulli s lov 5 (4.4) h h 0 2g t 2A 2 Beholderen er tømt, når h = 0. et sker ifølge ligningen ovenfor til tidspunktet: A 2h g 0 t For en beholder med A = 50 x 50 cm 2 og h 0 =1,0 m, og =2,0 cm 2. Giver det en tid for tømning, som er: = 564 s.