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浮力和拖曳在浸没的身体

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浮力和阻力是在考虑物体通过流体运动时通常产生的两种力。这些力的预测和表征对于解决许多机械问题是至关重要的, 比如工程车辆, 或者理解游泳和飞行有机体的运动。正如你的直觉所暗示的那样, 浮力在物体上垂直向上的作用是直接与引力相反。同样, 拖曳力倾向于减慢物体相对于周围的流体, 行动反对物体的相对运动。在这段视频中, 将对这两种力进行更详细的研究, 以显示它们是如何产生的, 以及如何确定它们的大小。他们对小气泡和液滴的影响, 然后将通过一个实验来说明, 然后再讨论其他应用。

首先, 让我们仔细看看浮力。当物体完全浸入液体中时, 浮力的大小仅仅是周围流体密度、物体体积和重力引起的加速度的乘积。正如阿基米德定律所说, 这相当于物体所偏移的液体的重量。当然, 引力是物体的平均密度, 它的体积和加速度, 由于重力, 仍然向下拉, 反对浮力。因此, 如果物体的平均密度等于流体的密度, 浮力和引力的总和将等于零, 而物体将是中性的浮力。同样, 如果对象更稠密, 它将下沉, 如果它是较不密集的, 它将浮动。然而, 一旦物体开始移动, 它会遇到另一种力, 拖拽。阻力是由于物体通过流体运动而产生的摩擦阻力, 以及速度矢量 "U" 所示的运动方向。计算阻力的大小是比较复杂的, 但一般情况下, 它可以被建模为1/2 流体密度的乘积、物体的投影面积和运动方向、阻力系数和相对速度平方。拖曳系数捕获物体形状的影响, 因为它取决于雷诺数, 也考虑了惯性和粘性流体力量对身体的相对大小。雷诺数是通过将物体的相对速度和特征长度尺度乘以流体密度和粘度的比值来确定的, 但一般不存在阻力系数的简单方程, 必须确定经验主义地或数字上。现在, 考虑所有三的这些作用力作用于一个球形物体在一个稠密的流体。浮力会抵消重力的作用, 加速物体向上。但是随着速度的增加, 阻力也会增大。最终, 物体将达到恒定的速度, 称为终端速度, 其中所有三力都是平衡的。如果已知流体的密度、质量直径和末端速度, 则可以计算阻力系数。现在, 让我们来测试这些原理, 通过测量小气泡在甘油中上升的阻力系数, 并将结果与理论进行比较。对于低雷诺数气泡和液滴, 阻力系数应为16除以雷诺数。

要进行这些测试, 您需要一个具有注入端口的清晰液体容器。按照文本中的说明来装配油箱。当坦克的构造是完整的, 设置它, 以便射入口岸容易地是可接近的, 并且填装它与甘油到深度大约 25 cm 通过慢慢地倾吐影片反对里面墙壁。这项技术将有助于减少气泡夹带在容器中。一些气体将不可避免地得到夹带, 并需要时间从甘油上升, 所以利用这个时间来设置相机和背光。将相机贴在三脚架上, 正视容器的高度, 使液体的上半部分处于视图中。在相机的对面, 安装一个明亮的光源, 如果有必要, 在光线和容器之间插入一个漫射片, 以达到更均匀的照明效果。现在, 小心地将一把尺子垂直插入注入口上方的甘油中, 并将标记朝向相机。调整视图的范围以跨越大约150mm 的垂直高度, 将相机聚焦在标记上。记录一个简短的视频尺的校准, 然后仔细提取它从坦克。不调整相机的位置或视野的其余部分的实验或校准将是无效的。最后, 用细针准备两个注射器。第一个注射器将只包含空气, 但填补第二个混合低粘度植物油和油基食品着色。你现在已经准备好进行实验了。使用第一个注射器注入气泡, 并记录它随着相机上升。重复此过程10到15次, 并与各种气泡大小。现在, 重复的过程与彩色油和记录10至15小滴的大小不等。

将所有的视频文件从相机传输到一台能够将视频中的各个帧作为图像导出的软件。首先打开标尺的校准视频, 然后导出一个框架。使用此图像可以根据每像素的米来确定缩放系数。有了缩放因子后, 您就可以处理其余的视频了。在视图底部附近导出一个带有气泡或液滴的框架, 并以像素为单位测量水平直径。接下来, 测量从图像顶部到气泡或液滴上边缘的垂直距离 (以像素为单位)。最后, 记录此帧的时间戳。现在, 出口的第二帧与气泡或液滴接近顶部的看法, 但仍然完全在甘油。再次, 测量水平直径、垂直距离和时间戳。您现在有两个水平直径和垂直位置对应的两个测量时间。取直径测量的平均值, 然后使用缩放因子将此值从像素转换为米。现在, 从两个帧之间的垂直高度的差异。再次使用缩放系数将此距离从像素转换为米。通过考虑两个帧的时间戳之间的差异, 可以找到上升此距离所用的时刻。现在已知的位置和时间的变化, 终端速度是很容易确定的比例, 两者。使用这些结果来计算阻力系数与先前导出的公式。查找已公布的流体密度值和由于重力引起的加速度。回顾理论处理预测阻力系数与雷诺数之间的关系。计算雷诺数使用您的测量和公布的价值的密度和黏度的甘油。我们将很快用这个结果来比较测量和理论, 但为了有意义的比较, 测量的不确定性也必须知道。传播你的不确定性, 如文中所述, 以确定阻力系数和雷诺数的最终不确定性。一旦你完成了所有的视频分析, 看看结果。

首先, 比较不同大小的气泡的视频。在这些低速度和长尺度下, 强表面张力会导致近球形气泡, 但较小的气泡在较低的速度下上升, 因为相对较强的阻力力。最大的气泡接近雷诺数的两个导致在尾迹区域有些扁平的尾巴。现在, 比较不同大小的油滴的视频。与气泡一样, 水滴保持近球形, 而较小的水滴由于更强的拖曳力而在较低的速度下上升。最大的油滴仅接近雷诺数 0.2, 然而由于他们的更大的重量, 并且他们形成轻微地泪珠形状, 可能由于油的高惯性在液滴之内流通。最后, 将测量的阻力系数作为雷诺数对气泡和液滴的作用, 并与理论预测进行比较。整体上, 定性地接近的协议观察与多数被测量的阻力系数价值匹配在实验不确定性之内的理论。

浮力和阻力是影响各种工业过程和机械系统的力量。沸水反应堆, bwr, 是一种类型的蒸汽发生器在核电厂。在这些反应堆中, 垂直束的放射性燃料棒加热向上流动的高压水产生蒸汽。这段视频显示了在代表燃料棒的透明圆柱体上的液态气体流动的缩小实验。必须考虑浮力和阻力等概念, 以预测这些燃料组件中两相流动的行为, 确保安全运行。如果气泡不能通过浮力和流体流动迅速去除, 燃料棒表面就会干燥, 导致过热和失效。汽车、飞机、轮船等都有很大的阻力。例如, 在高速公路速度的典型轿车可能需要马力或30千瓦, 只是为了克服空气动力阻力。仔细设计车辆形状和进气排气通路可以控制车辆周围的气流, 减少阻力。从而提高效率。

你刚刚看了朱庇特的浮力和阻力的介绍。你现在应该了解这些力量是如何和何时产生的, 以及它们如何能影响流体中物体的运动。你已经看到了如何计算这些力量的基础上的物理属性和方法来确定的阻力系数的对象, 通过测量其终端速度。谢谢收看

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