background image

 

Mechanika płynów 1 

MECHANIKA PŁYNÓW 

 
Płyn          -  Każda substancja, która może płynąć, tj. pod wpływem 

znikomo małych sił dowolnie zmieniać swój kształt w 
zależności od naczynia, w którym się znajduje, oraz może 
swobodnie się przemieszczać (przepływać), np. być 
przepompowywana przez rury. 

Pojęcia płynu nie należy utożsamiać tylko z cieczą, gdyż płynami są nie 
tylko ciecze, ale także wszystkie gazy, a nawet takie mieszaniny różnych 
faz fizycznych jak piana, emulsja, zawiesina i pasta. 

Mierzalną cechą płynów jest ich lepkość, czyli miara oporu 
wewnętrznego, jaki stawia płyn poddawany naprężeniom ścinającym 
zmuszającym go do przepływu. Tej właściwości płynów jednak nie 
weźmiemy pod uwagę w naszych rozważaniach. 

W płynach siły nie występują przy deformacji kształtu, ale tylko przy 
zmianie objętości. Dlatego siły działające na dowolnie usytuowaną 
powierzchnię w płynie, zwane siłami parcia, są do niej prostopadłe. 
 
 
Parcie       -  Siła nacisku, jaką płyn wywiera na daną powierzchnię.  

 

Ciśnienie   -  Stosunek siły parcia na dowolną powierzchnię w płynie do 

wielkości tej powierzchni. 

 
 
Jednostki ciśnienia 

 paskal 

bar 

at 

atm 

Tr 

paskal (Pa), 

2

1 Pa 1 N/m

=

 

5

10

 

5

1,02 10

×

 

5

0,987 10

×

 

3

7,5 10

×

 

bar, 

5

1 bar 10 Pa

=

 

5

10  

1,02  0,987  

750

 

atmosfera techniczna (at), 

2

1 at 1 kG/cm

=

 

5

0,981 10

×

 

0,981 

0,968 

736

 

atmosfera fizyczna (atm), 

1 atm 760 Tr

=

 

5

1,013 10

×

 

1,013 

1,033 

760

 

tor, 1 Tr 1 mm Hg

=

 

133

 

3

1,33 10

×

 

3

1,36 10

×

 

3

1,32 10

×

 

 

background image

 

Mechanika płynów 2 

Prawo Pascala 
 

Ciśnienie zewnętrzne wywierane na płyn jest przenoszone we 
wszystkich kierunkach jednakowo. 

 
 
Ciśnienie na pewnej głębokości w cieczy znajdującej się w polu 
grawitacyjnym  
 
Grawitacja wywołuje zmianę ciśnienia w zależności od głębokości - im 
niżej tym większe ciśnienie. Wzrost ciśnienia wywołujany jest naciskiem 
(ciężarem) ze strony słupa cieczy położonego nad punktem pomiaru. 

 
 
Przyjmijmy: 

ρ

 - gęstość cieczy 

 - przyspieszenie ziemskie 

0

 - ciśnienie na poziomie górnym 

 - ciśnienie na głębokości 

h

 

Zachodzi: 
 

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

F l

F

l

S

l

g h

F

p S

p

p

g h

F

p S

S l

S

l

ρ

ρ

∆ − ∆ = ∆

=

 ⇒ = +

=

∆ = ∆

 

 
 
Prawo Archimedesa 

 
Siły działające na boczne ścianki cylindra są 
skierowane prostopadle do ścianek i znoszą 
się. Siły działające na dolną i górną 
powierzchnię: 
 

2

0

2

(

)

S p

S p

gh

ρ

=

+

 

1

0

1

(

)

S p

S p

gh

ρ

=

+

 

 

background image

 

Mechanika płynów 3 

Prawo Archimedesa, cd. 
 

2

0

2

(

)

S p

S p

gh

ρ

=

+

,  

1

0

1

(

)

S p

S p

gh

ρ

=

+

 

 

Siła wypadkowa: 
 

0

2

0

1

(

)

(

)

W

S p

gh

S p

gh

gV

ρ

ρ

ρ

=

+

+

=

,  

2

1

(

)

V

S h

h

=

 

 

Na ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu równa ciężarowi 
wypartej przez to ciało cieczy

 
 
Przepływ (ruch) płynów 
 
Strumień, struga    -  Uporządkowany ruch cząstek płynu poruszających 

się jednym kierunku 
 

Przepływ   

      - 

laminarny 

Przepływ jest laminarny, jeśli strumień płynu może 
być rozłożony na warstwy, w których wektor 
prędkości jest równoległy do kierunku przepływu. 
Tory sąsiednich warstw płynu są w tym przypadku 
równoległe. Nie występuje mieszanie się sąsiednich 
warstw płynu. 
 

Przepływ   

      - 

turbulentny 

W przepływie turbulentnym zachodzi mieszanie się 
poszczególnych warstw płynu. 
 

Przepływ ustalony,
(stacjonarny

W danym punkcie przestrzeni prędkość 
przepływającego płynu nie zależy od czasu. 

 
 
Równanie ciągłości dla cieczy nieściśliwych 

 
Załóżmy, że przepływ jest stacjonarny. 
Przez przekrój "1" i "2" w czasie 

dt

 

przepływają te same objętości cieczy. 

 

1 1

2

2

S

dt

S

dt

υ

υ

=

 

   

1

2

2

1

S

S

υ

υ

=

 

Prędkości cieczy w strudze są odwrotnie proporcjonalne do 
powierzchni przekrojów strugi. 

background image

 

Mechanika płynów 4 

Prawo Benoulliego 
 
Załóżmy, że przepływ cieczy doskonałej (w której nie występują siły 
lepkości) następuje od przekroju 

1

 do przekroju 

2

 

 
 
 
 
Siły parcia: 

1

1

1

F

p S

=

 

2

2

2

F

p S

=

 

 
 

 
Obliczmy pracę sił parcia w odcinku czasu 

dt

 

 
 

1 1

2

2

1

1 1

2

2

2

1

2

(

)

p

dA

F

dt

F

dt

p S

dt

p S

dt

p

p

dV

υ

υ

υ

υ

=

=

=

 

 
W nieobecności sił lepkości praca ta równa jest zmianie energii 
kinetycznej i potencjalnej mas 

dm

cieczy zawartej między przekrojami 

1

1

i

S

S

 oraz 

2

2

i

S

S

p

k

p

dA

dE

dE

=

+

, czyli 

 

2

2

2

1

1

2

2

1

(

)

2

2

dm

dm

p

p

dV

dm g h

dm g h

υ

υ

=

+

 

 

Uwzględniając, że 

dm

dV

ρ

=

, gdzie 

ρ

 jest gęstością cieczy, otrzymujemy 

 

2

2

1

2

1

1

2

2

2

2

p

g h

p

g h

ρυ

ρυ

ρ

ρ

+

+

=

+

+

 

 
Ogólnie możemy więc napisać 
 

 

2

const

2

p

gh

ρυ

ρ

+

+

=

   równanie 

Bernoulliego 

 

Suma ciśnienia oraz energii kinetycznej i potencjalnej jednostki 
objętości ustalonego przepływu cieczy doskonałej jest wielkością 
stałą. 

background image

 

Mechanika płynów 5 

Prawo Bernoulliego, cd. 
 

Otrzymaliśmy 

2

const

2

p

gh

ρυ

ρ

+

+

=

 

W przypadku pomijalnie małych zmian wysokości przepływu zachodzi: 
 

 

2

0

const

2

p

p

ρυ

+

=

=

  

(inna postać równania Bernoulliego) 

 

 - 

ciśnienie statyczne 

 

2

2

ρυ

 - ciśnienie dynamiczne 

 

0

 - 

ciśnienie całkowite 

 
 
 
Pomiar ciśnienia dynamicznego i statycznego 
 
Pomiary tych ciśnień wykonuje się za pomocą układu rurek Pitota. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Rurki są zgięte pod kątem prostym, a części rurek zanurzone w cieczy są 
ustawione wzdłuż strumienia. Powierzchnia otworu rurki  , służącej do 
pomiaru ciśnienia całkowitego, jest skierowana prostopadle do wektora 
prędkości przepływającej cieczy. Powierzchnia otworu rurki 

b

 jest do tego 

wektora równoległa. Różnica wysokości  H

 wskazań obu rurek 

umożliwia wyznaczenie ciśnienia dynamicznego 
 

 

2

0

2

p

p

g H

ρυ

ρ

=

− =

 

 
Można stąd wyznaczyć prędkość przepływającej cieczy: 

g H

υ

=