第二章流體動(dòng)力學(xué)(廣州中醫(yī)藥大學(xué)藥用物理學(xué))

1、藥藥 用用 物物 理理 學(xué)學(xué)（供中藥、制藥、藥物制劑等專(zhuān)業(yè)用）醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院物理教研室（工科樓709室）劉 尉39358142E-mail：物理學(xué)物理學(xué) (Physics)物物 質(zhì)質(zhì) 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)物質(zhì)相互作用物質(zhì)相互作用物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律 物理學(xué)是研究自然界基本規(guī)律的科學(xué)?！拔铩敝肝镔|(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，“理”指物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)、變化規(guī)律?，F(xiàn)代觀點(diǎn)認(rèn)為物理學(xué)主要研究物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)，或物質(zhì)世界及其各部分之間的相互作用，或物質(zhì)的基本組成及它們的相互作用。緒緒 論論一、物理學(xué)及其研究對(duì)象一、物理學(xué)及其研究對(duì)象基本運(yùn)動(dòng)形態(tài)：基本運(yùn)動(dòng)形態(tài)： 機(jī)械運(yùn)動(dòng)（力學(xué)）；電磁運(yùn)動(dòng)（電磁學(xué)）；熱運(yùn)動(dòng)（

2、熱機(jī)械運(yùn)動(dòng)（力學(xué)）；電磁運(yùn)動(dòng)（電磁學(xué)）；熱運(yùn)動(dòng)（熱學(xué)）；微觀粒子運(yùn)動(dòng)（量子力學(xué)）。學(xué)）；微觀粒子運(yùn)動(dòng)（量子力學(xué)）。 它們是生命、遺傳、思維等更高級(jí)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。它們是生命、遺傳、思維等更高級(jí)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。緒緒 論論（1）牛頓力學(xué)或經(jīng)典力學(xué)研究物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。（2）熱力學(xué)研究溫度、熱、能量守恒以及熵原理等。（3）電磁學(xué)研究電、磁以及電磁輻射。（4）相對(duì)論研究高速運(yùn)動(dòng)、引力、時(shí)間和空間等。（5）量子力學(xué)研究微觀世界。物理學(xué)的發(fā)展歷史（五大基本理論）物理學(xué)的發(fā)展歷史（五大基本理論）緒緒 論論物理學(xué)的發(fā)展歷史（五大基本理論）物理學(xué)的發(fā)展歷史（五大基本理論） 牛頓經(jīng)典力學(xué)理論牛頓經(jīng)典力學(xué)理論 (Mechan

3、ics) 17世紀(jì)伽利略、開(kāi)普勒、牛頓研究物體機(jī)械運(yùn)世紀(jì)伽利略、開(kāi)普勒、牛頓研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律及關(guān)于時(shí)空相對(duì)性的規(guī)律動(dòng)的基本規(guī)律及關(guān)于時(shí)空相對(duì)性的規(guī)律開(kāi)普勒J(rèn)ohannes Kepler (1571-1630)牛頓Isaac Newton 1642-1727伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）緒緒 論論 現(xiàn)代意義下的物理學(xué)的誕生始于17世紀(jì)后半葉。伽利略、開(kāi)普勒等科學(xué)家為經(jīng)典力學(xué)和天體力學(xué)所作的奠基性貢獻(xiàn)，揭開(kāi)了人類(lèi)對(duì)自然界進(jìn)行科學(xué)探索的嶄新篇章。愛(ài)因斯坦在物理學(xué)的進(jìn)化中評(píng)論說(shuō)“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的可行的推理方法是人類(lèi)思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物

4、理學(xué)的真正開(kāi)端?！迸ｎD在他們工作的基礎(chǔ)上建立了完整的經(jīng)典力學(xué)理論，特別是1687年發(fā)表了自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理，標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)大廈的建成。緒緒 論論 熱力學(xué)熱力學(xué) (Thermodynamics) 18-19世紀(jì)卡特、焦耳、開(kāi)爾文、卡諾研究物質(zhì)熱世紀(jì)卡特、焦耳、開(kāi)爾文、卡諾研究物質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律及其宏觀表現(xiàn)，建立了宏觀的熱力運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律及其宏觀表現(xiàn)，建立了宏觀的熱力學(xué)理論。學(xué)理論。玻爾茲曼、克勞修斯、吉布斯等建立了說(shuō)明熱現(xiàn)象玻爾茲曼、克勞修斯、吉布斯等建立了說(shuō)明熱現(xiàn)象的氣體分子動(dòng)力理論即統(tǒng)計(jì)物理學(xué)（分子物理學(xué)）。的氣體分子動(dòng)力理論即統(tǒng)計(jì)物理學(xué)（分子物理學(xué)）。緒緒 論論 電磁學(xué)電磁學(xué) (Elec

5、tromagnetism) 18-19世紀(jì)庫(kù)侖、法拉第、麥克斯韋、赫茲等研究電世紀(jì)庫(kù)侖、法拉第、麥克斯韋、赫茲等研究電磁現(xiàn)象、物質(zhì)的電磁運(yùn)動(dòng)規(guī)律及電磁輻射等規(guī)律，建立磁現(xiàn)象、物質(zhì)的電磁運(yùn)動(dòng)規(guī)律及電磁輻射等規(guī)律，建立完備的電磁學(xué)理論。完備的電磁學(xué)理論。麥克斯韋 (1831-1879)庫(kù)侖 (1736.61806.8)赫茲(18571894)緒緒 論論 至此，以牛頓定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物至此，以牛頓定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理、電磁學(xué)構(gòu)成了經(jīng)典物理學(xué)的宏偉大廈。但是理、電磁學(xué)構(gòu)成了經(jīng)典物理學(xué)的宏偉大廈。但是 1919世紀(jì)和世紀(jì)和2020世紀(jì)之交，物理學(xué)界的三大發(fā)現(xiàn)世紀(jì)之交，

6、物理學(xué)界的三大發(fā)現(xiàn)u倫琴發(fā)現(xiàn)倫琴發(fā)現(xiàn)X X射線(xiàn)，射線(xiàn)，u湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子，湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子，u貝可勒爾發(fā)現(xiàn)放射性。貝可勒爾發(fā)現(xiàn)放射性。 以及著名的兩朵烏云以及著名的兩朵烏云u麥克爾遜麥克爾遜- -莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果u熱輻射實(shí)驗(yàn)的紫外災(zāi)難熱輻射實(shí)驗(yàn)的紫外災(zāi)難 一系列與經(jīng)典物理的預(yù)言極不相容的事實(shí)一系列與經(jīng)典物理的預(yù)言極不相容的事實(shí)緒緒 論論 相對(duì)論相對(duì)論 (Relativity) 愛(ài)因斯坦于愛(ài)因斯坦于19051905年提出了狹義相對(duì)論，年提出了狹義相對(duì)論，19151915年提年提出了廣義相對(duì)論出了廣義相對(duì)論 研究物體的高速運(yùn)研究物體的高速運(yùn)動(dòng)效應(yīng)以及相關(guān)的動(dòng)力學(xué)規(guī)律動(dòng)效應(yīng)以及相關(guān)的動(dòng)力

7、學(xué)規(guī)律 量子力學(xué)量子力學(xué) (Quantum mechanics) 20世紀(jì)普朗克、玻爾、薛定諤、海森堡、狄拉克世紀(jì)普朗克、玻爾、薛定諤、海森堡、狄拉克 研究微觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象以及基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究微觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象以及基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律緒緒 論論物理學(xué)的研究范圍物理學(xué)的研究范圍E- -15E- -12E- -09E- -06E- -031mE+03E+06E+09E+12E+15E+18E+21E+24E+27上窮碧落下黃泉，上窮碧落下黃泉，兩處茫茫都可見(jiàn)！兩處茫茫都可見(jiàn)！原子原子太陽(yáng)太陽(yáng)高山高山太陽(yáng)系太陽(yáng)系最近恒星最近恒星的距離的距離銀河系銀河系超星系團(tuán)超星系團(tuán)星系團(tuán)星系團(tuán)哈勃半徑哈勃半徑DNA長(zhǎng)度長(zhǎng)度

8、最小的最小的細(xì)胞細(xì)胞人類(lèi)人類(lèi)原子核原子核粒子粒子緒緒 論論二、物理學(xué)與技術(shù)進(jìn)步、生產(chǎn)實(shí)踐的關(guān)系二、物理學(xué)與技術(shù)進(jìn)步、生產(chǎn)實(shí)踐的關(guān)系（3）物理學(xué)突破導(dǎo)致技術(shù)和生產(chǎn)力大飛躍。（1）物理學(xué)廣泛應(yīng)用,體現(xiàn)了物理規(guī)律普適性。（2）物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ), 技術(shù)革命的源泉。緒緒 論論三、物理學(xué)的研究與學(xué)習(xí)方法三、物理學(xué)的研究與學(xué)習(xí)方法 物理學(xué)是整個(gè)自然科學(xué)的基礎(chǔ)對(duì)于任何專(zhuān)業(yè)，大學(xué)基礎(chǔ)物理課的目的，都是使學(xué)生對(duì)物理學(xué)的內(nèi)容和方法，工作語(yǔ)言、概念和物理圖象，其歷史、現(xiàn)狀和前沿等方面，從整體上有個(gè)全面的了解這是一門(mén)培養(yǎng)和提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì)、科學(xué)思維方法和科學(xué)研究能力的重要基礎(chǔ)課。緒緒 論論 力圖把傳授知識(shí)、思想、

9、方法三者放在同等重要的地位。加強(qiáng)對(duì)科學(xué)思維方式、自學(xué)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學(xué)習(xí)時(shí)不要拘泥于一本教材，還應(yīng)閱讀必要的參考書(shū)。要學(xué)好物理學(xué)還必須重視物理實(shí)驗(yàn)，學(xué)會(huì)使用儀器，掌握一些測(cè)量技能。希望通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，同學(xué)們不僅掌握必要的物理知識(shí)，還能提高科技素養(yǎng)。樹(shù)立正確的世界觀, 培養(yǎng)崇高科學(xué)精神。使用教材：藥用物理學(xué)江西高校出版社，章新友主編。緒緒 論論怎樣學(xué)習(xí)物理學(xué)怎樣學(xué)習(xí)物理學(xué)著名物理學(xué)家費(fèi)曼說(shuō)：著名物理學(xué)家費(fèi)曼說(shuō)：科學(xué)是一種方法。它教導(dǎo)人們：一些事物是怎科學(xué)是一種方法。它教導(dǎo)人們：一些事物是怎樣被了解的，什么事情是已知的，現(xiàn)在了解到樣被了解的，什么事情是已知的，現(xiàn)在了解到了什么程度，如何對(duì)待

10、疑問(wèn)和不確定性，證據(jù)了什么程度，如何對(duì)待疑問(wèn)和不確定性，證據(jù)服從什么法則；如何思考事物，做出判斷，如服從什么法則；如何思考事物，做出判斷，如何區(qū)別真?zhèn)魏捅砻娆F(xiàn)象何區(qū)別真?zhèn)魏捅砻娆F(xiàn)象 。著名物理學(xué)家愛(ài)因斯坦說(shuō)：著名物理學(xué)家愛(ài)因斯坦說(shuō)： 發(fā)展獨(dú)立思考和獨(dú)立判斷地一般能力，應(yīng)當(dāng)始終發(fā)展獨(dú)立思考和獨(dú)立判斷地一般能力，應(yīng)當(dāng)始終放在首位，而不應(yīng)當(dāng)把專(zhuān)業(yè)知識(shí)放在首位。如果放在首位，而不應(yīng)當(dāng)把專(zhuān)業(yè)知識(shí)放在首位。如果一個(gè)人掌握了他的學(xué)科的基礎(chǔ)理論，并且學(xué)會(huì)了一個(gè)人掌握了他的學(xué)科的基礎(chǔ)理論，并且學(xué)會(huì)了獨(dú)立思考和工作，他必定會(huì)找到自己的道路，而獨(dú)立思考和工作，他必定會(huì)找到自己的道路，而且比起那種主要以獲得細(xì)節(jié)知識(shí)為

11、其培訓(xùn)內(nèi)容的且比起那種主要以獲得細(xì)節(jié)知識(shí)為其培訓(xùn)內(nèi)容的人來(lái)，他一定會(huì)更好地適應(yīng)進(jìn)步和變化人來(lái)，他一定會(huì)更好地適應(yīng)進(jìn)步和變化 。重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容 重點(diǎn)學(xué)習(xí)第二章流體動(dòng)力學(xué)，第三章分子物理學(xué)，第四章靜電場(chǎng)，第六章電磁現(xiàn)象，第八章波動(dòng)光學(xué)，第九章藥用光學(xué)儀器的基本原理（選講）。教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)環(huán)節(jié) 授課；習(xí)題課；討論課；演示實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)課學(xué)習(xí)。 自學(xué), 做階段總結(jié)，寫(xiě)心得體會(huì)。教學(xué)安排：理論課實(shí)驗(yàn)課（詳見(jiàn)教學(xué)日歷）教學(xué)安排：理論課實(shí)驗(yàn)課（詳見(jiàn)教學(xué)日歷）1、平時(shí)作業(yè)、考勤、實(shí)驗(yàn)占、平時(shí)作業(yè)、考勤、實(shí)驗(yàn)占 302、期末考試占、期末考試占 70考核方式：考核方式： 幾點(diǎn)要求：幾點(diǎn)要求： 1

12、.從提升自身科學(xué)素養(yǎng)的目標(biāo)出發(fā)，從提升自身科學(xué)素養(yǎng)的目標(biāo)出發(fā)，快樂(lè)學(xué)習(xí)！快樂(lè)學(xué)習(xí)！ 2.認(rèn)真對(duì)待每一堂課，課前預(yù)習(xí)，課后習(xí)題，做認(rèn)真對(duì)待每一堂課，課前預(yù)習(xí)，課后習(xí)題，做到到學(xué)有所得學(xué)有所得。 3.適當(dāng)閱讀一些參考書(shū)，更適當(dāng)閱讀一些參考書(shū)，更廣泛了解廣泛了解相關(guān)知識(shí)。相關(guān)知識(shí)。 4.實(shí)驗(yàn)課前完成預(yù)習(xí)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)課前完成預(yù)習(xí)報(bào)告，預(yù)備知識(shí)預(yù)備知識(shí)物理學(xué)中物理學(xué)中, 為了方便描述各物理量為了方便描述各物理量, 常常選擇一些物理量作常常選擇一些物理量作為基本量為基本量. 在國(guó)際單位制中在國(guó)際單位制中, 七個(gè)基本量及其單位：七個(gè)基本量及其單位： 長(zhǎng)度長(zhǎng)度(m), 質(zhì)量質(zhì)量(kg), 時(shí)間時(shí)間(s)，電流強(qiáng)

13、度（，電流強(qiáng)度（A），熱力學(xué)溫標(biāo)），熱力學(xué)溫標(biāo)（K），物質(zhì)的量（），物質(zhì)的量（mol）,發(fā)光強(qiáng)度（發(fā)光強(qiáng)度（cd）v 導(dǎo)出量：由基本單位導(dǎo)出的量導(dǎo)出量：由基本單位導(dǎo)出的量,如速度、力、加速度等如速度、力、加速度等. v 量綱式：表示一個(gè)物理量的單位與基本量單位關(guān)系的量綱式：表示一個(gè)物理量的單位與基本量單位關(guān)系的式子式子. 三個(gè)力學(xué)基本量的量綱分別為三個(gè)力學(xué)基本量的量綱分別為L(zhǎng), M, T .1 單位與量綱單位與量綱 1sLTt-v 2aLTt-v 2-MLTamFv量綱的意義： 獲取導(dǎo)出量與基本量之間的關(guān)系； 檢驗(yàn)公式的正確性； 進(jìn)行單位換算或確定比例系數(shù)的單位等.加速度的量綱為： 速度的量綱

14、為：物理量(physical quantity) 描寫(xiě)物理事件的量稱(chēng)為物理量. 常用的物理量： 標(biāo)量(scalar)：只有大小沒(méi)有方向的物理量,如溫度、能量、質(zhì)量； 矢量(vector)：既有大小又有方向且只有一個(gè)方向的物理量,如速度、加速度； 張量(tensor)：既有大小又有方向,并且不止一個(gè)方向的物理量,方向個(gè)數(shù)稱(chēng)為張量的階. 2 物理量及其表述物理量及其表述 質(zhì)點(diǎn)(mass point) 任何物體都有一定的大小和形狀,但當(dāng)物體的大小和形狀在所描寫(xiě)的運(yùn)動(dòng)中所起的作用可以忽略不計(jì)時(shí), 我們就把它看作是一個(gè)只有質(zhì)量而沒(méi)有大小和形狀的點(diǎn),稱(chēng)為質(zhì)點(diǎn). 坐標(biāo)系(coordinate system)

15、 描述一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)需要另一個(gè)物體作為參考,這個(gè)被選定的參考物體稱(chēng)為參考系. 為了定量地描寫(xiě)物體運(yùn)動(dòng)的位置以及位置隨時(shí)間的變化,在三維空間中,需要標(biāo)出三個(gè)獨(dú)立的量來(lái)唯一地確定一點(diǎn)的位置.如圖所示為三條坐標(biāo)軸(x軸、y軸、z軸)相互垂直的直角坐標(biāo)系.( ) trkOyxzP(x,y,z)ij矢量及其運(yùn)算 v矢量的表示：用上方帶有箭頭的字母或黑體字表示. v矢量的加法：兩矢量和仍為一矢量,即 v矢量的減法： 矢量的加減法服從平行四邊形法則和三角形法則. CAB() -CAB平行四邊形法則和三角形法則CABB-BCABABA() -DAB當(dāng)兩矢量同向時(shí),點(diǎn)積結(jié)果數(shù)值最大；當(dāng)兩矢量反向時(shí),點(diǎn)積結(jié)果數(shù)值

16、最?。划?dāng)兩矢量垂直時(shí),點(diǎn)積結(jié)果為0 . cosABA B 矢量的標(biāo)積(點(diǎn)積)矢量A在矢量B上的投影與矢量B大小的乘積,即v 矢量的乘法：標(biāo)積(點(diǎn)積)和矢積(叉積) AB 矢量的矢積(叉積)結(jié)果仍為一矢量,大小等于 C=ABsin, 方向垂直于矢量A與B構(gòu)成的平面,并服從右手螺旋法則, 即當(dāng)兩個(gè)矢量平行時(shí),叉積結(jié)果為零；當(dāng)兩個(gè)矢量垂直時(shí),叉積結(jié)果最大. -ABBACAB根據(jù)叉積運(yùn)算定義,可以得到如下結(jié)果：質(zhì)點(diǎn)在t時(shí)間內(nèi)所發(fā)生的位移與時(shí)間的比值叫做質(zhì)點(diǎn)在這段時(shí)間內(nèi)的平均速度(mean velocity), 即 stv質(zhì)點(diǎn)在t時(shí)間內(nèi)所走過(guò)的路程s與t的比值稱(chēng)為質(zhì)點(diǎn)在這段時(shí)間內(nèi)的平均速率(mean s

17、peed),即 trv微微 積積 分分瞬時(shí)速度(instantaneous velocity) ：平均速度的極限,即0dlimdtttrrv速率(speed) ：速度的大小, 即0dlimdtttrrvv積積 分分oSf(x)xx x+xS= xf(x)0)(dxxfS小貝的香蕉球動(dòng)物與流線(xiàn)型高爾夫球表面光滑還是粗糙？ 高爾夫球運(yùn)動(dòng)起源于15世紀(jì)的蘇格蘭,當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為表面光滑的球飛行阻力小,因此用皮革制球. 后來(lái)發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠(yuǎn),這個(gè)謎直到20世紀(jì)建立流體力學(xué)邊界層理論才得以解開(kāi). 現(xiàn)代高爾夫球 早期高爾夫球第二章第二章 流體動(dòng)力學(xué)流體動(dòng)力學(xué)流體運(yùn)動(dòng)的基本概念流體運(yùn)動(dòng)的基本

18、概念1伯努利方程及應(yīng)用伯努利方程及應(yīng)用2實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)3 泊肅葉定律泊肅葉定律 斯托克斯定律斯托克斯定律34第一節(jié)第一節(jié) 流體運(yùn)動(dòng)的基本概念流體運(yùn)動(dòng)的基本概念氣體與液體沒(méi)有一定的形狀氣體與液體沒(méi)有一定的形狀, ,各部分之間極易發(fā)生相對(duì)各部分之間極易發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng), ,具有流動(dòng)性具有流動(dòng)性, ,因而被統(tǒng)稱(chēng)為因而被統(tǒng)稱(chēng)為流體流體. . 流體的特性：流體的特性：流動(dòng)性、連續(xù)性、黏滯性、可壓縮性流動(dòng)性、連續(xù)性、黏滯性、可壓縮性一、理想流體一、理想流體v 黏滯性 實(shí)際流體流動(dòng)時(shí),速度不同的層與層之間存在阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦力,流體的這種性質(zhì)稱(chēng)為流體的黏滯性.流速大的一層給流速小的一層以拉

19、力,流速小的一層給流速大的一層以阻力.流體的黏滯性第一節(jié)第一節(jié) 流體運(yùn)動(dòng)的基本概念流體運(yùn)動(dòng)的基本概念Vm理想流體：絕對(duì)不可壓縮又完全沒(méi)有黏滯性的流體理想流體：絕對(duì)不可壓縮又完全沒(méi)有黏滯性的流體流體的重度：流體單位體積內(nèi)的重量流體的重度：流體單位體積內(nèi)的重量流體的密度：流體單位體積內(nèi)的質(zhì)量流體的密度：流體單位體積內(nèi)的質(zhì)量gVmgVW密度單位為千克密度單位為千克米米3 (kgm 3)重度單位為牛頓重度單位為牛頓米米3(Nm 3)第一節(jié)第一節(jié) 流體運(yùn)動(dòng)的基本概念流體運(yùn)動(dòng)的基本概念二、理想流體的穩(wěn)定流動(dòng)、流線(xiàn)和流管二、理想流體的穩(wěn)定流動(dòng)、流線(xiàn)和流管穩(wěn)定流動(dòng)：穩(wěn)定流動(dòng)：流體流過(guò)的區(qū)域內(nèi)，各點(diǎn)上的流速都不

20、隨時(shí)間而流體流過(guò)的區(qū)域內(nèi)，各點(diǎn)上的流速都不隨時(shí)間而變化的流動(dòng)狀態(tài)。變化的流動(dòng)狀態(tài)。流線(xiàn)流線(xiàn) 第一節(jié)第一節(jié) 流體運(yùn)動(dòng)的基本概念流體運(yùn)動(dòng)的基本概念 流體流過(guò)不同形狀障礙物的流線(xiàn)流體流過(guò)不同形狀障礙物的流線(xiàn)注意！流線(xiàn)是同一時(shí)刻沿許多質(zhì)元流速方向描繪出的注意！流線(xiàn)是同一時(shí)刻沿許多質(zhì)元流速方向描繪出的曲線(xiàn)，而不是在一段時(shí)間內(nèi)某一個(gè)流體質(zhì)元的運(yùn)動(dòng)軌曲線(xiàn)，而不是在一段時(shí)間內(nèi)某一個(gè)流體質(zhì)元的運(yùn)動(dòng)軌跡；只在穩(wěn)定流動(dòng)情況下，它才與各處質(zhì)元運(yùn)動(dòng)軌跡跡；只在穩(wěn)定流動(dòng)情況下，它才與各處質(zhì)元運(yùn)動(dòng)軌跡重合；在任一時(shí)刻任何兩條流線(xiàn)不會(huì)相交。重合；在任一時(shí)刻任何兩條流線(xiàn)不會(huì)相交。第一節(jié)第一節(jié) 描述流體運(yùn)動(dòng)的基本概念描述流體運(yùn)動(dòng)

21、的基本概念在流體流過(guò)的空間，劃出一個(gè)任意橫截面在流體流過(guò)的空間，劃出一個(gè)任意橫截面S，通過(guò)它四，通過(guò)它四周的許多流線(xiàn)所圍成的管狀區(qū)域周的許多流線(xiàn)所圍成的管狀區(qū)域v 流管流管穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)：流線(xiàn)不隨時(shí)：流線(xiàn)不隨時(shí)間改變間改變,不同時(shí)刻的流線(xiàn)不不同時(shí)刻的流線(xiàn)不相交相交;流管形狀也不隨時(shí)間流管形狀也不隨時(shí)間改變改變,流管內(nèi)的流體不會(huì)流流管內(nèi)的流體不會(huì)流出到管外出到管外,流管外的流體不流管外的流體不會(huì)流入到管內(nèi)會(huì)流入到管內(nèi). 流管第一節(jié)第一節(jié) 流體運(yùn)動(dòng)的基本概念流體運(yùn)動(dòng)的基本概念1111Stvm2222Stvm恒量SvQm三、不可壓縮流體的連續(xù)性方程三、不可壓縮流體的連續(xù)性方程連續(xù)性方程推導(dǎo)其中

22、其中 Q Q m m稱(chēng)為質(zhì)量流量稱(chēng)為質(zhì)量流量, ,此式稱(chēng)為定常流動(dòng)的此式稱(chēng)為定常流動(dòng)的連續(xù)性方程連續(xù)性方程, ,也稱(chēng)為質(zhì)量流量也稱(chēng)為質(zhì)量流量守恒定律守恒定律. . 21mm第一節(jié)第一節(jié) 流體運(yùn)動(dòng)的基本概念流體運(yùn)動(dòng)的基本概念對(duì)于不可壓縮流體對(duì)于不可壓縮流體, , 為常量為常量, ,則有則有 v1 S1= v2 S2 Q v = v S=恒量恒量 式中式中 Q Q v v 稱(chēng)為體積流量稱(chēng)為體積流量. .該式稱(chēng)為體積流量守恒定律該式稱(chēng)為體積流量守恒定律. Q g = v S=恒量恒量 式中式中 Q Q g g 稱(chēng)為重量流量稱(chēng)為重量流量. .該式稱(chēng)為重量流量守恒定律該式稱(chēng)為重量流量守恒定律. 由由連續(xù)

23、性方程連續(xù)性方程可知可知: : (1)(1)不可壓縮流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)不可壓縮流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí), ,流管的任一垂直流管的任一垂直截面積與該處的平均流速的乘積為一恒量截面積與該處的平均流速的乘積為一恒量. .(2)(2)同一流管同一流管, ,截面積較大處流速小截面積較大處流速小; ;截面積較截面積較小處流速較大小處流速較大. .第一節(jié)第一節(jié) 流體運(yùn)動(dòng)的基本概念流體運(yùn)動(dòng)的基本概念動(dòng)脈系統(tǒng)動(dòng)脈系統(tǒng)毛細(xì)管系統(tǒng)毛細(xì)管系統(tǒng)靜脈系統(tǒng)靜脈系統(tǒng)心臟心臟 人體血液循環(huán)示意圖 血液循環(huán)血液循環(huán) 血液流速與血管總截面積的關(guān)系第一節(jié)第一節(jié) 流體運(yùn)動(dòng)的基本概念流體運(yùn)動(dòng)的基本概念第二節(jié)第二節(jié) 伯努利方程及其應(yīng)用伯努利方程及其應(yīng)用

24、1738年伯努利(D. Bernoulli) 出版流體動(dòng)力學(xué)，提出了著名的伯努利方程.丹丹伯努利伯努利(Daniel Bernoull, 1700-1782)瑞士科學(xué)家瑞士科學(xué)家.第二節(jié)第二節(jié) 伯努利方程及其應(yīng)用伯努利方程及其應(yīng)用-121222212121)(mghmvmghmvVPPVPVPtvSPtvSPW-21222111恒量Pghv221一、伯努力方程一、伯努力方程壓力所做的功：壓力所做的功：功能原理：功能原理：222211212121PghvPghv恒量Phvg221第二節(jié)第二節(jié) 伯努利方程及其應(yīng)用伯努利方程及其應(yīng)用例：例：在一樓水管的某截面處在一樓水管的某截面處,水流的速度為水流的

25、速度為2.0 m/s，壓強(qiáng)為，壓強(qiáng)為3.5105 Pa,管的內(nèi)徑為管的內(nèi)徑為20 mm,水沿水管流到三樓某一截面水沿水管流到三樓某一截面時(shí)時(shí),管的內(nèi)徑為管的內(nèi)徑為10 mm,此截面比一樓的那個(gè)截面高此截面比一樓的那個(gè)截面高10 m,求求該截面處的流速和壓強(qiáng)該截面處的流速和壓強(qiáng).伯努力方程與連續(xù)性方程聯(lián)合運(yùn)用伯努力方程與連續(xù)性方程聯(lián)合運(yùn)用,可以解決流體流動(dòng)的可以解決流體流動(dòng)的許多實(shí)際問(wèn)題許多實(shí)際問(wèn)題.解：解：沿水管內(nèi)壁取一流管,第一截面選在一樓某截面處,用S1表示,該處流速為v1= 2.0 m/s,壓強(qiáng)為p1= 3.5105 Pa,管徑為d1=20 mm,高度為h1=0.第二截面選在三樓的某截面

26、處,用S2表示,其內(nèi)徑為d2=10 mm,高度為h2=10 m.第二節(jié)第二節(jié) 伯努利方程及其應(yīng)用伯努利方程及其應(yīng)用2211SvSv)/(0 . 80 . 2010. 0020. 0)2()2(21221122211212smvddvddvSSv22222112121ghvpvp根據(jù)伯努力方程有根據(jù)伯努力方程有解：解：根據(jù)連續(xù)性方程根據(jù)連續(xù)性方程: )(1092. 1108 . 9100 . 1)0 . 80 . 2(100 . 121105 . 3)(215322352222112Paghvvpp-得得得得1.1.空吸作用空吸作用SASBSCAABBS vS v221122AABBpvpv*

27、*應(yīng)用：噴霧器、水流抽氣機(jī)等。應(yīng)用：噴霧器、水流抽氣機(jī)等。* *當(dāng)當(dāng)B處流速很大時(shí)處流速很大時(shí), ,B處的壓強(qiáng)很小處的壓強(qiáng)很小, ,以至于小于大氣壓時(shí)以至于小于大氣壓時(shí), ,容器容器中的液體因受到大氣壓的作用吸到中的液體因受到大氣壓的作用吸到B處被水平管中的流體帶走。處被水平管中的流體帶走。 空吸作用空吸作用由于由于：BASSABpp 第二節(jié)第二節(jié) 伯努利方程及其應(yīng)用伯努利方程及其應(yīng)用二、伯努利方程的應(yīng)用二、伯努利方程的應(yīng)用 地鐵安全線(xiàn) 水流抽氣機(jī)原理 伯努利管第二節(jié)第二節(jié) 理想流體的伯努利方程及其應(yīng)用理想流體的伯努利方程及其應(yīng)用 香蕉球原理香蕉球原理只平動(dòng)(向下)只旋轉(zhuǎn)平動(dòng)加旋轉(zhuǎn)第二節(jié)第二節(jié)

28、 理想流體的伯努利方程及其應(yīng)用理想流體的伯努利方程及其應(yīng)用 流速與高度的關(guān)系流速與高度的關(guān)系 在自然界、工程技術(shù)和我們的日常生活中,存在著許多與容器排水相關(guān)的問(wèn)題,如水庫(kù)放水(瀉洪與發(fā)電)、水塔經(jīng)管道向城市供水及用吊瓶給患者輸液等,其共同的特點(diǎn)是液體從大容器經(jīng)小孔流出. 水庫(kù)大壩 水電站第二節(jié)第二節(jié) 理想流體的伯努利方程及其應(yīng)用理想流體的伯努利方程及其應(yīng)用2Bv2100pghpgh2Bvv 小孔流速 第二節(jié)第二節(jié) 理想流體的伯努利方程及其應(yīng)用理想流體的伯努利方程及其應(yīng)用2.2.流量計(jì)（汾丘里流量計(jì)）流量計(jì)（汾丘里流量計(jì)）hS112S22211221122pvpv1 122S vS v21ppg

29、h-1222212ghvSSS-聯(lián)立可得聯(lián)立可得1222212ghQS SSS-第二節(jié)第二節(jié) 伯努利方程及其應(yīng)用伯努利方程及其應(yīng)用3.3.流速計(jì)流速計(jì)BAh1h2v221122AABBPvpv01Appgh0Bv 212 ()vg hh -液體流速測(cè)量液體流速測(cè)量02Bppgh第二節(jié)第二節(jié) 伯努利方程及其應(yīng)用伯努利方程及其應(yīng)用氣體流速測(cè)量氣體流速測(cè)量ABppgh-液皮托管皮托管 hAB2vgh 液221BBAvpp第二節(jié)第二節(jié) 伯努利方程及其應(yīng)用伯努利方程及其應(yīng)用壓強(qiáng)與高度的關(guān)系壓強(qiáng)與高度的關(guān)系 若流管中流體的流速不變或流速的改變可以忽略時(shí)若流管中流體的流速不變或流速的改變可以忽略時(shí), ,伯努

30、利方程可以直接寫(xiě)成伯努利方程可以直接寫(xiě)成2211ghpghp或pgh常量常量第二節(jié)第二節(jié) 伯努利方程及其應(yīng)用伯努利方程及其應(yīng)用4. 4. 體位對(duì)血壓的影響體位對(duì)血壓的影響( (低位血壓高，高位血壓低低位血壓高，高位血壓低) ) 第二節(jié)第二節(jié) 伯努利方程及其應(yīng)用伯努利方程及其應(yīng)用v 層流一. 實(shí)際流體的黏滯性、動(dòng)力黏度 甘油緩慢流動(dòng)管內(nèi)甘油的流動(dòng)是分層的,這種流動(dòng)稱(chēng)為層流(laminar flow). 層流示意圖第三節(jié)第三節(jié) 實(shí)際實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)流體的運(yùn)動(dòng)流體層流時(shí),流動(dòng)穩(wěn)定,相鄰各層以不同的速度作相對(duì)運(yùn)動(dòng),彼此不相混合. 這對(duì)作用力為流體的內(nèi)摩擦力,也稱(chēng)為黏性力. 流體的黏性力第三節(jié)第三節(jié) 實(shí)際

31、實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)流體的運(yùn)動(dòng)v 牛頓黏滯定律 黏度黏性流體作層流時(shí),速度的逐層變化可以用速度梯度來(lái)定量表示. 相距y的兩流層的速率差為v ,則 表示這兩層之間的速率變化率. 稱(chēng)為沿 y 方向(與流速方向垂直)的速率梯度.yvyvdydvy0limdydv第三節(jié)第三節(jié) 實(shí)際實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)流體的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)證明,流體內(nèi)部相鄰兩流體層之間黏性力 f牛頓黏滯定律 比例系數(shù) 稱(chēng)為黏度或黏性系數(shù),是反映流體黏性的宏觀物理量. 流體的黏滯系數(shù)與物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān),還與溫度有關(guān). Sdydvf第三節(jié)第三節(jié) 實(shí)際實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)流體的運(yùn)動(dòng)遵從牛頓黏滯定律的流體稱(chēng)為牛頓流體(水、酒精、血漿),不遵從牛頓黏滯定律的流體稱(chēng)為非牛頓

32、流體(血液、膠體溶液和燃料水溶液). 第三節(jié)第三節(jié) 實(shí)際實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)流體的運(yùn)動(dòng)二、實(shí)際流體的伯努利方程2222121122hgvphgvpwZwZ 稱(chēng)為損失壓頭，表示單位重量的實(shí)際流體在流動(dòng)稱(chēng)為損失壓頭，表示單位重量的實(shí)際流體在流動(dòng)過(guò)程中克服阻力所作的功過(guò)程中克服阻力所作的功循環(huán)系統(tǒng)各類(lèi)血管中的血壓第三節(jié)第三節(jié) 實(shí)際實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)流體的運(yùn)動(dòng)三、片流、湍流、雷諾數(shù)雷諾實(shí)驗(yàn)裝置第三節(jié)第三節(jié) 實(shí)際實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)流體的運(yùn)動(dòng)雷諾實(shí)驗(yàn)裝置第三節(jié)第三節(jié) 實(shí)際實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)流體的運(yùn)動(dòng)雷諾實(shí)驗(yàn)裝置第三節(jié)第三節(jié) 實(shí)際實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)流體的運(yùn)動(dòng)v 湍流黏性流體作層流時(shí),層與層之間僅作相對(duì)滑動(dòng)而不混合.但當(dāng)流速逐漸增

33、大到某種程度時(shí),層流的狀態(tài)就會(huì)被破壞,出現(xiàn)各流層相互混淆,外層的流體粒子不斷卷入內(nèi)層,流動(dòng)顯得雜亂而不穩(wěn)定,甚至?xí)霈F(xiàn)渦旋,這種流動(dòng)稱(chēng)為湍流(turbulent flow). 核爆蘑菇云火山爆發(fā)第三節(jié)第三節(jié) 實(shí)際實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)流體的運(yùn)動(dòng)v 雷諾系數(shù)雷諾(OReynolds)最早對(duì)湍流 現(xiàn) 象 進(jìn) 行 系 統(tǒng) 研 究 , 1883年他通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn),證實(shí)了流體在自然界存在兩種迥然不同的流態(tài),層流和湍流. 雷諾 (Osborne Reynolds 1842-1912)英國(guó)力學(xué)家、物理學(xué)家、工程師.第三節(jié)第三節(jié) 實(shí)際實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)流體的運(yùn)動(dòng)雷諾在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),玻璃直圓管道中的黏性液體,其流動(dòng)狀態(tài)是層流還是湍流主要取決于比例系數(shù)(后人稱(chēng)之為雷諾數(shù), Reynolds number)Re 的大小.式中 液體的密度, d 為管道的特征長(zhǎng)度, v 是液體的平均流速, 是液體的黏性系數(shù).dvRe第三節(jié)第三節(jié) 實(shí)際實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)流體的運(yùn)動(dòng)雷諾數(shù)是一個(gè)無(wú)量綱的純數(shù),它是鑒別黏性流體流動(dòng)狀態(tài)的唯一的一個(gè)參數(shù). 實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)于剛性直圓管道中的黏性流體: Re2000 時(shí),流體作層流; Re3000時(shí),