|
|
4. Prawo zachowania energii - prawo Bernoulli'ego
Jeżeli w omawianym przewodzie zmierzymy wartość ciśnienia statycznego i dynamicznego w miejscu przewężenia, jak i w miejscu nie przewężonego przekroju, otrzymamy zależność mówiącą, że suma ciśnień statycznego i dynamicznego z jednego miejsca pomiaru (np. z miejsca przewężenia), będzie równa sumie ciśnień w miejscu nie przewężonym. Możemy wtedy napisać równanie:
Cd + Cs=Cd' + Cs' = const
Oznacza to, że energia ta nie zmienia się i stanowi w obu przypadkach taką samą wartość.
Prawo Bernoulli'ego mówi, że każdemu zwiększeniu się prędkości, a co za tym idzie ciśnienia dynamicznego, musi automatycznie towarzyszyć zmniejszenie się ciśnienia statycznego i na odwrót, przy każdym zmniejszeniu prędkości i ciśnienia dynamicznego, rośnie ciśnienie statyczne.
Dobrą ilustracją zastosowania prawa Bernoulli'ego jest proste doświadczenie. Pomiędzy dwie zwisające luźno kartki papieru wprowadzimy strumień powietrza (np. dmuchając pomiędzy), to przepływające powietrze spowoduje wzrost ciśnienia dynamicznego, a w konsekwencji spadek ciśnienia statycznego. Ponieważ ciśnienie statyczne na zewnątrz kartek jest większe (powietrze na zewnątrz nie jest w ruchu), kartki przysuną się do siebie przyciśnięte większym ciśnieniem statycznym z zewnątrz. W momencie, gdy powietrze przestanie przepływać pomiędzy kartkami, natychmiast rozsuną się one z powrotem. Ciśnienie statyczne wewnątrz kartek i na zewnątrz nich wyrówna się (rys.4).
 |
| Rys.4 |
Przejdźmy jednak do mechanizmów powstawania siły nośnej. Wystarczy powiązać z sobą wcześniej wspomniane zależności.
W pierwszym rzędzie należy zadać sobie pytanie, co takiego niezwykłego jest w kształcie profilu aerodynamicznego, że został "namaszczony" przez naturę do wytwarzania siły nośnej. Otóż najważniejszą jego cechą jest to, że na swojej powierzchni w locie potrafi wywołać ruch cząsteczek powietrza z różną prędkością na górnej i dolnej jego części.
Jak to się dzieje? Aby wytłumaczyć to zjawisko, założyć trzeba, że powietrze jest w niewielkim stopniu ściśliwe (jak woda) i wyobrazić sobie profil aerodynamiczny wstawiony do koryta rzeki (rys.5).
 |
| Rys.5 |
Widać wyraźnie, że od płaskiej strony profilu między brzegiem rzeki a profilem nie nastąpiło zwężenie prześwitu. Natomiast pomiędzy stroną wybrzuszoną a brzegiem powstało znaczne przewężenie. Opierając się na prawie ciągłości przepływu wiemy, że zarówno pod, jak i nad profilem, przepłynie w jednostce czasu taka sama objętość wody. Z tą różnicą, że w miejscu zwężenia woda będzie musiała przyspieszyć, aby nadążyć z przeniesieniem zadanej objętości cieczy. Wzrostowi prędkości na pewno towarzyszyć będzie wzrost ciśnienia dynamicznego i co za tym idzie, spadek ciśnienia statycznego.
W części profilu, która nie powodowała przewężenia (od spodu) nie nastąpił wzrost prędkości (nie było takiej potrzeby - prędkość cieczy jest mniejsza niż na górnej części profilu). Ciśnienie statyczne i dynamiczne utrzymuje się na niskim poziomie.
Pozostawmy teraz ciśnienie dynamiczne, przyda się nam dopiero w rozważaniach o oporze. Najbardziej interesujące dla nas jest ciśnienie statyczne, bo to ono "generuje" powstawanie siły nośnej.
Tak jak sklejające się kartki papieru, profil aerodynamiczny "przyssany" jest do powietrza dzięki niskiej wartości ciśnienia statycznego.
Zapewne część z was miała styczność z urządzeniem zwanym aerografem. W tym prostym urządzeniu świetnie widać, jak wysoka prędkość powietrza doprowadza do spadku ciśnienia statycznego i wyssania farby z pojemniczka (rys.6).
 |
| Rys. 6 |
Wartość ciśnienia statycznego na dolnej powierzchni skrzydła jest większa od ciśnienia panującego w swobodnej strudze, dlatego wartość tego ciśnienia na górze profilu zwykło się opisywać ze znakiem minus, a na dole ze znakiem plus (rys.7).
 |
| Rys. 7 |
|  |
główna
