氣體壓強與流速關系的實例分析

氣體雖然較易壓縮，但流動性很強，只要有很小的壓強差就會導致它的迅速流動。而這種微小的壓強差不足以引起密度的顯著改變，因而討論氣體的流動時，可把氣體視為理想流體（完全沒有粘滯性和完全不可壓縮的流體）模型。流體運動時， 某一時刻經(jīng)過空間某一點所具有的速度稱為該點在該時刻的流速。為了形象地描述流體的運動，在流體流動的區(qū)域里設想許多曲線，使曲線上每一點的切線方向與該點流體、質(zhì)點流速矢量方向一致，這種曲線稱為流線。流線不是流體中真實的線條，不會相交，流線的分布密度與流速成正比。理想流體在穩(wěn)定流動中，通過流管任意兩截面的流體體積相等，這是理想流體的連續(xù)性原理。截面積變小，流速變大；截面積變大，流速變小。理想流體在重力場中作穩(wěn)定流動時，同一流線上各點的壓強、流速和高度之間的關系由伯努利方程可知，即pgh+1/2pv²+p=常數(shù)；若流體在同一水平面上則方程變?yōu)?/2pv²+p=常數(shù)；若流體在同一水平面上，流速較大的位置壓強較小。

一、此規(guī)律可以解釋日常生活中很多現(xiàn)象

例如：圖1向兩頁紙之間吹氣，這兩頁紙不但不被吹開，反而相互貼緊一些。這是因為向兩頁紙之間吹氣，空氣流速變大，壓強變小，而外側(cè)壓強不變，所以每張紙兩側(cè)出現(xiàn)壓力差，使之相互貼緊。

兩條船并行在逆流中，如果距離很近，兩船中間水域變狹，由于連續(xù)性原理使截面變小、流速加大、壓強變小，兩船會“自動”靠攏。又如一個十分明顯的實驗如圖2，向橫管A吹氣，橫管中氣流在細徑B處要比A處壓強小許多，但A處壓強接近大氣壓強，因此B處壓強比大氣壓小，這時下面容器中的液體便會在大氣壓的作用下沿豎直管上升并從管口噴出。

這種利用高速流體壓強變小而吸取液體或氣體的作用，叫“空吸作用”。農(nóng)用小型噴霧器、水流抽機等都是利用了這種作用。

二、流體對運動旋轉(zhuǎn)體的作用

先看一個實驗。將一個硬紙筒沿斜板滾下一段后自由下落，如圖3。圓筒離開斜板以后，如果只受重力，其質(zhì)心應沿圖中虛線前進，但實驗表明，它將沿著圖中實線前進。為什么圓筒要改變路徑呢？

根據(jù)運動是相對的，球相對靜止時氣體斜向下運動的道理，可分析出空氣流體相對球斜向上運動，（其流線如圖4）。原來，圓筒在邊旋轉(zhuǎn)邊前進的過程中，右邊空氣的流速小于左邊空氣流速，所以右邊空氣壓強大于左邊空氣壓強。于是空氣對球產(chǎn)生了一個向左的側(cè)壓力，造成了紙筒運動 軌跡的偏移。

為了進一步說明這一點，我們來考察一個豎直立在流體中的圓柱體，研究它的一個水平截面。圖5（A）表示圓柱體靜止時流體繞它流過的情況；圖5（B）表示圓柱體繞中心軸轉(zhuǎn)動時帶動原來靜止的流體作環(huán)形流動的情況；圖5(C)表示上述兩種情況迭加在一起時的流動情況。

在圖5（C）中，由于圖中上方的流速V1比下方的流速V2要大，運用伯努力方程將此兩處的總水頭分別與遠方相鄰兩點總水頭相比較可看出，圓柱體上方的壓強P1比遠方的壓強P。要小，而下方的壓強則比P。要大，因而形成了圓柱體向圖C的上方偏離的壓力。這種壓力的方向可以這樣確定：從流體相對于圓柱體運動的方向朝圓柱體轉(zhuǎn)動方向逆轉(zhuǎn)P。即得。這種流體對運動旋轉(zhuǎn)體產(chǎn)生側(cè)壓力的現(xiàn)象稱為馬格魯效應。在網(wǎng)球和乒乓球的攻球中往往可利用這種效應打出 各種弧圈球。如：乒乓球前進過程中由于不同的旋轉(zhuǎn)球會沿不同的軌跡運動。運動員用三種不同的擊球方法把球擊出，請判斷圖7中的1、2、3條軌跡哪一條是上旋球（逆時轉(zhuǎn)動）的，下旋球的，不轉(zhuǎn)球的。

分析可知球向左走，氣流向右動如圖6。由馬格魯效應：上旋球?qū)@得向下的側(cè)壓力，所以軌跡3為上旋球軌跡，軌跡1為下旋球軌跡，軌跡2為不轉(zhuǎn)球軌跡。

（責任編輯 武之華）