Физика. Конспекты лекций и примеры решения задач контрольной работы

Элементы механики жидкостей

Давление в жидкости и газе

Молекулы газа, совершая беспорядочное, хаотическое движение, не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия, поэтому они движутся свободно и в результате соударений стремятся разлететься во все стороны, заполняя весь предоставленный им объем, т. е. объем газа определяется объемом того сосуда, который газ занимает.

Жидкость же, имея определенный объем, принимает форму того сосуда, в который она заключена. Но в жидкостях в отличие от газов среднее расстояние между молекулами остается практически постоянным, поэтому жидкость обладает практически неизменным объемом.

Единица давления — паскаль (Па): 1 Па равен давлению, создаваемому силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м2 (1 Па=1 Н/м2).

Уравнение Бернулли и следствия из него Выделим в стационарно текущей идеальной жидкости (физическая абстракция, т. е. воображаемая жидкость, в которой отсутствуют силы внутреннего трения) трубку тока, ограниченную сечениями S1 и S2, по которой слева направо течет жидкость

Вязкость (внутреннее трение). Ламинарный и турбулентный режимы течения жидкостей Вязкость (внутреннее трение) — это свойство реальных жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой. При перемещении одних слоев реальной жидкости относительно других возникают силы внутреннего трения, направленные по касательной к поверхности слоев. Действие этих сил проявляется в том, что со стороны слоя, движущегося быстрее, на слой, движущийся медленнее, действует ускоряющая сила. Со стороны же слоя, движущегося медленнее, на слой, движущийся быстрее, действует тормозящая сила.

Движение тел в жидкостях и газах Одной из важнейших задач аэро- и гидродинамики является исследование движения твердых тел в газе и жидкости, в частности изучение тех сил, с которыми среда действует на движущееся тело. Эта проблема приобрела особенно большое значение в связи с бурным развитием авиации и увеличением скорости движения морских судов.

Элементы специальной (частной) теории относительности Преобразования Галилея. Механический принцип относительности В классической механике справедлив механический принцип относительности (принцип относительности Галилея): законы динамики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

Преобразования Лоренца Анализ явлений в инерциальных системах отсчета, проведенный А. Эйнштейном на основе сформулированных им постулатов, показал, что классические преобразования Галилея несовместимы с ними и, следовательно, должны быть заменены преобразованиями, удовлетворяющими постулатам теории относительности.

Интервал между событиями Преобразования Лоренца и следствия из них приводят к выводу об относительности длин и промежутков времени, значение которых в различных системах отсчета разнос. В то же время относительный характер длин и промежутков времени в теории Эйнштейна означает относительность отдельных компонентов какой-то реальной физической величины, не зависящей от системы отсчета, т. е. являющейся инвариантной по отношению к преобразованиям координат

Закон взаимосвязи массы и энергии

Статистический и термодинамический методы исследования. Молекулярная физика и термодинамика — разделы физики, в которых изучаются макроскопические процессы в телах, связанные с огромным числом содержащихся в телах атомов и молекул. Для исследования этих процессов применяют два качественно различных и взаимно дополняющих друг друга метода: статистический (молекулярно-кинетический) и термодинамический. Первый лежит в основе молекулярной физики, второй — термодинамики. Молекулярная физика — раздел физики, изучающий строение и свойства вещества исходя из молекулярно-кинетических представлений, основывающихся на том, что все тела состоят из молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении.

Уравнение Клапейрона — Менделеева Как уже указывалось, состояние некоторой массы газа определяется тремя термодинамическими параметрами: давлением р, объемом V и температурой Т.

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеальных газов Для вывода основного уравнения молекулярно-кинетической теории рассмотрим одноатомный идеальный газ. Предположим, что молекулы газа движутся хаотически, число взаимных столкновений между молекулами газа пренебрежимо мало по сравнению с числом ударов о стенки сосуда, а соударения молекул со стенками сосуда абсолютно упругие. Выделим на стенке сосуда некоторую элементарную площадку DS и вычислим давление, оказываемое на эту площадку.

Закон Максвелла о распределении молекул идеального газа по скоростям и энергиям теплового движения При выводе основного уравнения молекулярно-кинетической теории молекулам задавали различные скорости. В результате многократных соударений скорость каждой молекулы изменяется по модулю и направлению. Однако из-за хаотического движения молекул все направления движения являются равновероятными, т. е. в любом направлении в среднем движется одинаковое число молекул.

Давление при равновесии жидкостей (газов) подчиняется закону Паскаля*: давление в любом месте покоящейся жидкости одинаково по воем направлениям, причем давление одинаково передается по всему объему, занятому покоящейся жидкостью.

* Б. Паскаль (1623—1662) — французский ученый.

Рассмотрим, как влияет вес жидкости на распределение давления внутри покоящейся несжимаемой жидкости. При равновесии жидкости давление по горизонтали всегда одинаково, иначе не было бы равновесия. Поэтому свободная поверхность покоящейся жидкости всегда горизонтальна вдали от стенок сосуда. Если жидкость несжимаема, то ее плотность не зависит от давления. Тогда при поперечном сечении S столба жидкости, его высоте h и плотности r вес P=rgSh, а давление на нижнее основание

  (28.1)

т. е. давление изменяется линейно с высотой. Давление rgh называется гидростатическим давлением.

Согласно формуле (28.1), сила давления на нижние слои жидкости будет больше, чем на верхние, поэтому на тело, погруженное в жидкость, действует сила, определяемая законом Архимеда: на тело, погруженное в жидкость (газ), действует со стороны этой жидкости направленная вверх выталкивающая сила, равная весу вытесненной телом жидкости (газа):

FА=PgV,

где р — плотность жидкости, V— объем погруженного в жидкость тела.

Уравнение неразрывности

Движение жидкостей называется течением, а совокупность частиц движущейся жидкости — потоком. Графически движение жидкостей изображается с помощью линий тока, которые проводятся так, что касательные к ним совпадают по направлению с вектором скорости жидкости в соответствующих точках пространства (рис. 45). Линии тока проводятся так, чтобы густота их, характеризуемая отношением числа линий к площади перпендикулярной им площадки, через которую они проходят, была больше там, где больше скорость течения жидкости, и меньше там, где жидкость течет медленнее. Таким образом, по картине линий тока можно судить о направлении и модуле скорости в разных точках пространства, т. е. можно определить состояние движения жидкости. Линии тока в жидкости можно «проявить», например, подмешав в нее какие-либо заметные взвешенные частицы.

Часть жидкости, ограниченную линиями тока, называют трубкой тока. Течение жидкости называется установившимся (или стационарным), если форма и расположение линий тока, а также значения скоростей в каждой ее точке со временем не изменяются.

Рассмотрим какую-либо трубку тока. Выберем два ее сечения S1 и S2, перпендикулярные направлению скорости (рис. 46).

За время Dt через сечение S проходит объем жидкости SvDt; следовательно, за 1 с через S1 пройдет объем жидкости S1v1, где v1 — скорость течения жидкости в месте сечения S1. Через сечение S2 за 1 с пройдет объем жидкости S2v2, где v2 — скорость течения жидкости в месте сечения S2. Здесь предполагается, что скорость жидкости в сечении постоянна. Если жидкость несжимаема (r=const), то через сечение S2 пройдет такой же объем жидкости, как и через сечение S1, т. е.

 (29.1)

Следовательно, произведение скорости течения несжимаемой жидкости на поперечное сечение трубки тока есть величина постоянная для данной трубки тока. Соотношение (29.1) называется уравнением неразрывности для несжимаемой жидкости.

Ньютон вновь ставит вопрос об атомистическом строении эфира:

«Если кто-нибудь предположит, что эфир (подобно нашему воздуху), может быть, содержит частицы, которые стремятся отталкиваться одна от другой (я не знаю, что такое этот эфир), что его частицы крайне малы сравнительно с частицами воздуха и даже света, то чрезвычайная малость этих частиц может способствовать величине силы, благодаря которой частицы отталкиваются друг от друга, делая среду необычайно разряженной и упругой в сравнении с воздухом и, следовательно, в ничтожной степени способной к сопротивлению движениям брошенных тел и чрезвычайно способной вследствие стремления к расширению давить на большие тела».

Таким образом, Ньютон сам указал возможность обойти затруднение, возникающее вследствие сопротивления эфира движению небесных тел.

«Если этот эфир предположить в 700 000 раз более упругим, чем наш воздух, и более чем в 700 000 раз разреженным, то сопротивление его будет в 600 000 000 раз меньшим, чем у воды. Столь малое сопротивление едва ли произведет заметное изменение движения планет за десять тысяч лет».

Удивительно, но его расчеты по порядку величин совпадают с аналогичными расчетами свойств предлагаемого эфира.

Существует убеждение, что атомы эфира, являясь частицами атомов, своими свойствами и в первую очередь способностью притяжения, совершенно отличаются от весомых тел. Если атомам присуща тяжесть, то амеры полностью лишены этого свойства. Данное убеждение — следствие распространения на эфир представления о том, что силы сопротивления тел внешнему сжатию, фиксируемые на поверхности Земли и других небесных тел как их вес, не фиксируются со стороны эфира. Эфирные атомы, как и все вещественные тела, сжимаются внешним давлением и оказывают силовое сопротивление этому давлению. Но поскольку для эфира весомые тела «прозрачны» и воспринимают воздействие объемно, то силы сопротивления их внешнему давлению приборно не фиксируются. И потому эфир как бы не имеет веса.

Все свойства атомов эфира, физические параметры, место в пространстве, форму взаимодействия с окружающими телами определяет структура их собственной пульсации и размеры относительно окружающих молекул. Место нахождения данных атомов у определенного тела обусловливает частоту пульсации, строго синхронизованную с частотой пульсации тела (когда тело, пульсируя, возрастает, атомы эфира, его окружающие, в размерах уменьшаются, образуя в приграничном пространстве гравита-ционную или электромагнитную волну). Одновременно они пульсируют со своей частотой и с частотой передаваемых (внешних) вибрационных колебаний, синхронизованной относи-тельно своих нейтральных зон, и потому являются передающей средой для всех видов полевых взаимодействий.

Более того, самопульсация атомов эфира приводит к высокой изотропности областей, образуемых этими эфирными частицами. Местонахождение частицы обусловливается совпадением (или пропорциональностью) ее периода пульсации с периодом пульсации окружающего пространства. Постоянное пульсирую-щее приталкивание атомов эфира, выполняющее функции прижатия, приводит к тому, что пространственное положение и геометрические размеры каждой частицы эфира определяются ее собственными энергетическими возможностями.

Если какие-то внешние или внутренние причины приведут к возрастанию периода колебания данной частицы, то она покинет область своего пребывания и передвинется туда, где напряженность гравиполя меньше. Замедление периода ее собственного колебания переместит ее в зону большей напряженности гравиполя. Изменение собственной пульсации сопровождается перемещением ее в ту область пространства, частота пульсации которой резонирует с ее самопульсацией (следует отметить, что аналогичный процесс — диффузия, отмечается в газах, жидкостях, твердых телах. Наблюдается он и в движении небесных тел: планет, звезд, галактик...). Естественно, что изменение периода колебания частицы сопровождается пропорциональным изменением всех остальных ее свойств. Именно этот механизм настройки пространственной пульсации эфира обеспечивает фоновому (реликтовому) излучению высокую степень изотропности.

Процесс прямой зависимости положения тела в пространстве от частоты его собственного колебания наблюдается на всех структурных уровнях эфирной среды, со всеми телами ¾ от молекул до галактик. Он определяет саму структуру пространства, отсутствие в пространстве хаоса и наличие самодвижения. Все тела занимают то положение в пространстве, которое соответствует их энергетическим возможностям. И эти энергетические возможности самопуль-сирующих тел и сред, включая эфирное пространство, обусловливают некорректность приложения к ним понятия энтропии как неизменного состояния термодинамической системы, при котором переход упорядоченного движения тела как целого в хаотическое движение его частиц является необратимым процессом.

В свою очередь электромагнитные колебания вызываются двумя видами воздействия на эфирный «монолит» и тела, находящиеся в нем:

• Волновым воздействием, когда вся масса эфира получает вибрацию от некоторого тела (например, от радиоантенны) и вибрации эти распространяются эфирной массой как волны (в полной аналогии с волнами на поверхности воды от упавшего в воду тела), практически без затухания.

• Волновым взаимодействием с движущимися в эфире элементарными частицами: электронами, фотонами, протонами и т.д. Движение этих частиц определяется скоростью их самопульсации, а также плотностью и частотой колебания той области пространства, через которую они проходят (как отдаленную аналогию можно привести пример с возникновением волн на поверхности воды и добавить, что одновременно с волнами частички воды — капли отделяются от поверхности и продолжают самостоятельный полет. Вот эти частички на очень коротком промежутке времени и являются в некотором роде аналогами электронов, фотонов и т.д. Можно представить и более объемную картину волнения и образования летящих водяных капель — шторм на море).

А поскольку эфирное пространство для данных частиц анизотропно, то все волны и частицы (включая световые фотоны) движутся в нем с различными скоростями. И только физические условия прохождения элементарными частицами-фотонами пространства молекул эфира «вынуждает» разноскоростные элементарные частицы «придерживаться» одной скорости (образуя как бы природные ограничения скорости), которую в физике постулируют абсолютной по величине. Между тем уже давно эмпирически доказано, что скорость света зависит не только от анизотропности материала, через который он следует, но и от частоты собственного колебания фотонов, что само по себе свидетельствует о принудительном самодвижении фотонов через прозрачные тела.


На главную