Keselanjaran & Bernoulli: soalan latihan dengan penyelesaian langkah demi langkah

Soalan latihan Keselanjaran & Bernoulli percuma dengan rajah, petunjuk dan penyelesaian lengkap. Nilai baharu setiap kali, pada tiga tahap: keselanjaran, penurun mengufuk, paip menaik.

Soalan latihan percumaMudah
12d1​ = 75 mm, v1​ = 0.75 m/sd2​ = 25 mm

Air mengalir pada 0.75 m/s melalui bahagian lebar paip, yang mempunyai diameter 75 mm. Cari kadar alir isi padu Q.

d1 = 75 mmd2 = 25 mmv1 = 0.75 m/s
L/s
Soalan seterusnya →

Apa yang anda latih

  1. Mudahkeselanjaran
  2. Sederhanapenurun mengufuk
  3. Sukarpaip menaik

Formula utama

Keselanjaran
A1v1 = A2v2
Bernoulli
p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
Kadar alir
Q = A·v
Luas bulatan
A = πd²/4

Pelajari Keselanjaran & Bernoulli dari awal

Sebelum ini: Daya hidrostatik

1Tentang apa kesinambungan dan Bernoulli

Tutup hujung hos taman dengan ibu jari anda dan air memancut keluar lebih laju. Jumlah air yang sama mesti melalui bukaan yang lebih kecil, maka ia mesti bergerak lebih laju.

Idea itu ialah kesinambungan: dalam paip yang penuh, air tidak boleh bertimbun atau hilang. Apa yang masuk setiap saat mesti keluar setiap saat.

Idea kedua, persamaan Bernoulli, mengaitkan laju, tekanan dan ketinggian. Di tempat air bertambah laju, tekanannya turun. Di tempat air naik, tekanannya juga turun.

Bersama-sama, dua idea ini membolehkan anda meramalkan laju dan tekanan di mana-mana sepanjang paip. Dalam topik ini bendalir tidak boleh mampat (seperti air) dan kehilangan akibat geseran diabaikan.

Semakan kendiri Air mengalir melalui paip yang semakin sempit. Apakah yang berlaku kepada lajunya di bahagian yang sempit?
  1. Air berhenti
  2. Berkurang
  3. Bertambah
  4. Ia kekal sama

Jawapan: Bertambah. Isi padu yang sama sesaat mesti melalui luas yang lebih kecil, jadi air mesti bergerak lebih laju.

2Kadar alir dan kesinambungan

Kadar alir isi padu Q ialah isi padu bendalir yang melalui sesaat, dalam m³/s. Satu liter sesaat (L/s) ialah 0.001 m³/s.

Bagi bendalir yang bergerak pada laju purata v melalui keratan rentas berluas A:

Q = A · v A = π · d² / 4

Kadar alir jisim ialah ṁ = ρ · Q, dalam kg/s, dengan ρ ialah ketumpatan (1000 kg/m³ bagi air).

Kesinambungan menyatakan bahawa Q adalah sama pada setiap keratan paip:

12v1​v2​d1​d2​p1​p2​
A1 · v1 = A2 · v2

Bagi paip bulat, π/4 saling batal, jadi v2 = v1 · (d1 / d2)². Jika diameter dikurangkan separuh, air menjadi empat kali lebih laju.

Semakan kendiri Sebuah paip mengecil daripada 80 mm kepada 40 mm. Air bergerak pada 1 m/s di bahagian lebar. Berapakah lajunya di bahagian sempit?
  1. 0.25 m/s
  2. 2 m/s
  3. 4 m/s
  4. 8 m/s

Jawapan: 4 m/s. v2 = 1 · (80/40)² = 4 m/s. Luas bergantung pada kuasa dua diameter. Menggunakan nisbah diameter tanpa kuasa dua memberikan 2 m/s.

3Persamaan Bernoulli

Sepanjang garis arus tanpa kehilangan, tenaga bagi setiap meter padu bendalir kekal sama. Ia mempunyai tiga bahagian: tekanan, gerakan dan ketinggian.

p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
  • p: tekanan, dalam Pa.
  • ½ρv²: tenaga kinetik bagi setiap m³, juga dalam Pa.
  • ρgz: tenaga ketinggian bagi setiap m³, dengan z ialah ketinggian di atas sebarang aras rujukan yang anda pilih.

Jadi jika satu bahagian bertambah, yang lain mesti berkurang. Air yang lebih laju mempunyai tekanan yang lebih rendah. Air yang lebih tinggi mempunyai tekanan yang lebih rendah.

Satu kes khas yang berguna ialah tangki yang disalirkan keluar melalui lubang kecil pada kedalaman h di bawah permukaan terbuka. Permukaan hampir tidak bergerak dan kedua-dua titik berada pada tekanan udara, lalu memberikan hukum Torricelli:

v = √(2gh)
Semakan kendiri Sebuah tangki air terbuka disalirkan keluar melalui lubang kecil 5 m di bawah permukaan air. Dengan mengabaikan kehilangan, berapakah laju pancutan yang meninggalkan lubang? (g = 9.81 m/s²)
  1. 49.1 m/s
  2. 7.00 m/s
  3. 9.90 m/s
  4. 98.1 m/s

Jawapan: 9.90 m/s. v = √(2 · 9.81 · 5) = √98.1 = 9.90 m/s. Jika terlupa 2, hasilnya 7.00 m/s, dan jika terlupa punca kuasa dua, hasilnya 98.1.

4Kaedah langkah demi langkah

  1. Lakarkan paip dan nomborkan dua keratan: 1 di tempat anda tahu paling banyak, 2 di tempat nilai yang dicari.
  2. Tukar unit: mm kepada m, kPa kepada Pa, L/s kepada m³/s.
  3. Cari luas A = π·d²/4 dan gunakan kesinambungan untuk mendapatkan halaju yang tiada.
  4. Tulis Bernoulli antara keratan 1 dan 2. Bagi paip mengufuk z1 = z2, jadi sebutan ketinggian saling batal.
  5. Selesaikan untuk nilai yang dicari, kemudian tukar semula kepada kPa jika perlu.

Pastikan unit konsisten. Dengan ρ dalam kg/m³ dan v dalam m/s, sebutan ½ρv² diperoleh dalam Pa, bukan kPa.

5Contoh terselesai

Ikuti setiap langkah. Cuba ramalkan langkah seterusnya sebelum anda membukanya.

Contoh terselesai

Air (ρ = 1000 kg/m³) mengalir melalui paip mengufuk yang mengecil daripada 100 mm kepada 50 mm. Pada keratan lebar, tekanannya 200 kPa dan halajunya 1.5 m/s. Dengan mengabaikan kehilangan, cari tekanan pada keratan sempit.

1

Lukis paip

121.5 m/sv2​100 mm50 mm200 kPap2​ = ?

Keratan 1 ialah bahagian lebar, tempat semuanya diketahui. Keratan 2 ialah bahagian sempit.

2

Halaju di bahagian sempit

Diameter menjadi separuh, jadi laju bertambah sebanyak (100/50)² = 4:

v2 = 1.5 · (100 / 50)² = 6 m/s
3

Tulis Bernoulli

Paip adalah mengufuk, jadi sebutan ketinggian saling batal:

p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²)
4

Gantikan nilai, dalam pascal

½ · 1000 · (1.5² − 6²) = 500 · (2.25 − 36) = −16 875 Pa
p2 = 200 000 − 16 875 = 183 125 Pa ≈ 183.1 kPa
5

Semak jawapan

Air lebih laju di bahagian sempit, jadi tekanannya mesti lebih rendah. 183.1 kPa lebih rendah daripada 200 kPa, seperti yang dijangka.

Kadar alir ialah Q = 0.007854 · 1.5 = 11.8 L/s pada kedua-dua keratan.

Jawapan

p2 ≈ 183.1 kPa pada keratan sempit (v2 = 6 m/s).

6Kesilapan lazim

  • Menggunakan nisbah diameter dan bukan nisbah luas: laju berubah mengikut kuasa dua diameter.
  • Menggunakan jejari seolah-olah ia diameter dalam A = π·d²/4, atau terlupa /4.
  • Mencampurkan kPa dan Pa. Bekerja dalam Pa dalam Bernoulli, kemudian tukar pada akhir.
  • Melaporkan m³/s sebagai L/s. Darabkan m³/s dengan 1000 untuk mendapat L/s.
  • Terlupa sebutan ketinggian ρ·g·Δz apabila paip naik atau turun.
Semakan kendiri Air mengalir pada 2 m/s melalui paip berdiameter dalam 100 mm. Berapakah kadar alir isi padu?
  1. 0.0157 L/s
  2. 15.7 L/s
  3. 20 L/s
  4. 62.8 L/s

Jawapan: 15.7 L/s. A = π · 0.1²/4 = 0.007854 m², jadi Q = 0.007854 · 2 = 0.0157 m³/s = 15.7 L/s. Jika terlupa /4, hasilnya 62.8, dan jika terlupa π/4, hasilnya 20.

7Rupa soalan peperiksaan

  • Mudah: kesinambungan. Cari kadar alir, kadar alir jisim, halaju pada keratan yang lebih sempit, atau diameter paip yang diperlukan bagi alir tertentu. Sesetengah soalan menggunakan hukum Torricelli untuk tangki yang disalirkan keluar.
  • Sederhana: penurun mengufuk. Cari tekanan pada satu keratan daripada keratan yang satu lagi. Variasi menggunakan meter venturi, tiub pitot (v = √(2Δp/ρ)) atau orifis dengan pekali discas.
  • Sukar: paip menaik. Sebutan ketinggian penting: setiap satu meter kenaikan menurunkan tekanan sebanyak ρ·g·1 = 9.81 kPa bagi air. Variasi termasuk sifon, tangki bertekanan dan air pancut.

Dalam contoh di atas, kenaikan 5 m antara keratan akan menurunkan p2 lagi sebanyak 1000 · 9.81 · 5 = 49 050 Pa, kepada 134.1 kPa.

Belajar langkah demi langkah dalam aplikasiBelajar langkah demi langkah dalam aplikasi

Contoh penyelesaian

Contoh 1Mudah
12d1​ = 100 mm, v1​ = 2.75 m/sd2​ = 50 mm, v2​ = ?

Air mengalir melalui paip yang mengecil daripada 100 mm kepada 50 mm diameter. Halaju pada bahagian lebar ialah 2.75 m/s. Cari halaju v2 pada bahagian sempit.

d1 = 100 mmd2 = 50 mmv1 = 2.75 m/s

Cari nilai v2 (m/s)

Tunjukkan petunjuk
  1. Isi padu air yang sama melalui setiap keratan setiap saat: Q = A·v.
  2. A₁v₁ = A₂v₂, dan luas berskala dengan d², jadi v₂ = v₁·(d₁/d₂)².
  3. A1 = 0.007854 m².
Tunjukkan jawapan dan penyelesaian langkah demi langkah

Keselanjaran dan Bernoulli: bagi bendalir tak boleh mampat, kadar alir adalah sama pada setiap keratan, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Sepanjang garis arus tanpa kehilangan, p + ½ρv² + ρgz adalah malar, jadi di tempat bendalir lebih laju atau lebih tinggi, tekanannya lebih rendah.

Keselanjaran

Kadar alir adalah sama pada kedua-dua keratan.

A1v1 = A2v2
v2 = v1·(d1/d2)² = 2.75·(100/50)² = 11 m/s

Jawapan

v2 = 11 m/s
Contoh 2Sederhana
12d1​ = 150 mm, p1​ = 250 kPad2​ = 50 mm, p2​ = ?

Air mengalir melalui paip mengufuk yang mengecil daripada 150 mm kepada 50 mm. Pada bahagian lebar tekanan ialah 250 kPa dan halaju ialah 0.5 m/s. Abaikan kehilangan, cari tekanan p2 pada bahagian sempit.

d1 = 150 mmd2 = 50 mmp1 = 250 kPav1 = 0.5 m/sρ = 1000 kg/m³

Cari nilai p2 (kPa)

Tunjukkan petunjuk
  1. Mula-mula gunakan keselanjaran untuk mencari halaju pada bahagian sempit.
  2. Bernoulli untuk paip mengufuk: p₁ + ½ρv₁² = p₂ + ½ρv₂².
  3. v2 = 4.5 m/s.
Tunjukkan jawapan dan penyelesaian langkah demi langkah

Keselanjaran dan Bernoulli: bagi bendalir tak boleh mampat, kadar alir adalah sama pada setiap keratan, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Sepanjang garis arus tanpa kehilangan, p + ½ρv² + ρgz adalah malar, jadi di tempat bendalir lebih laju atau lebih tinggi, tekanannya lebih rendah.

Keselanjaran dan Bernoulli

Bekerja dalam Pa, kemudian bahagi dengan 1000 untuk mendapatkan kPa.

v2 = v1·(d1/d2)² = 0.5·(150/50)² = 4.5 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(0.5² − 4.5²)/1000 = −10 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 250 + (−10) = 240 kPa

Jawapan

p2 = 240 kPa
Contoh 3Sukar
pair​ = 190 kPaQ = ?d = 25 mmh = 4 m

Satu tangki air tertutup mempunyai udara termampat di atas air pada tekanan tolok 190 kPa. Air keluar melalui bukaan berdiameter 25 mm, 4 m di bawah permukaan air, ke udara terbuka. Dengan mengabaikan kehilangan, cari kadar aliran Q. Gunakan g = 9.81 m/s².

pair = 190 kPa (tolok)h = 4 md = 25 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

Cari nilai Q (L/s)

Tunjukkan petunjuk
  1. Bernoulli dari permukaan air (tekanan tolok p, pegun) ke pancutan (atmosfera).
  2. p/ρ + gh = ½v², maka v = √(2(p/ρ + gh)) dengan p dalam Pa.
  3. p/ρ + gh = 229.2 m²/s².
Tunjukkan jawapan dan penyelesaian langkah demi langkah

Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.

Bernoulli dari permukaan ke pancutan

v = √(2·(190000/1000 + 9.81·4)) = 21.41 m/s

Kadar alir

Q = A·v = 0.0004909·21.41 = 0.01051 m³/s = 10.51 L/s

Jawapan

Q = 10.51 L/s

Soalan dan jawapan

Apakah Keselanjaran & Bernoulli?

Tutup hujung hos taman dengan ibu jari anda dan air memancut keluar lebih laju. Jumlah air yang sama mesti melalui bukaan yang lebih kecil, maka ia mesti bergerak lebih laju.

Idea itu ialah kesinambungan: dalam paip yang penuh, air tidak boleh bertimbun atau hilang. Apa yang masuk setiap saat mesti keluar setiap saat.

Bagaimanakah saya menyelesaikan soalan Keselanjaran & Bernoulli langkah demi langkah?

Keselanjaran dan Bernoulli: bagi bendalir tak boleh mampat, kadar alir adalah sama pada setiap keratan, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Sepanjang garis arus tanpa kehilangan, p + ½ρv² + ρgz adalah malar, jadi di tempat bendalir lebih laju atau lebih tinggi, tekanannya lebih rendah.

Apakah kesilapan lazim dalam Keselanjaran & Bernoulli?
  • Tekanan udara juga menolak air keluar: sertakan p/ρ dalam persamaan Bernoulli.
  • Ketinggian air juga menambah halaju: v = √(2(p/ρ + gh)).
Apakah yang diliputi oleh latihan Keselanjaran & Bernoulli?
  • Mudah: keselanjaran
  • Sederhana: penurun mengufuk
  • Sukar: paip menaik

Setiap soalan mempunyai nilai baharu, jadi anda mempelajari kaedah dan bukannya jawapan. Buntu? Buka petunjuk kecil dahulu, dan penerangan penuh hanya apabila anda memerlukannya.

Cara latihan berfungsi

  • Setiap soalan mempunyai nilai baharu, jadi anda mempelajari kaedah dan bukannya jawapan.
  • Buntu? Buka petunjuk kecil dahulu, dan penerangan penuh hanya apabila anda memerlukannya.
  • Kemajuan, kesilapan dan soalan tersimpan anda dikekalkan, jadi anda boleh menyemak sebelum peperiksaan.

Topik sebelum dan selepas topik ini

Pelajari dahulu

Teruskan dengan

Kalkulator

Kursus dengan topik ini

Lebih banyak topik dalam Mekanikal

Lembaran kerja boleh cetak