Неразрывность и Бернулли: задачи с пошаговыми решениями

Другие названия: уравнение Бернулли · уравнение неразрывности

Бесплатные задачи по теме Неразрывность и Бернулли с рисунками, подсказками и подробными решениями. Каждый раз новые значения, трёх уровней: неразрывность, горизонтальное сужение, восходящая труба.

Бесплатная задачаЛёгкая
12d1​ = 75 mm, v1​ = 0,75 m/sd2​ = 25 mm

Вода течёт со скоростью 0,75 m/s по широкой части трубы диаметром 75 mm. Найдите объёмный расход Q.

d1 = 75 mmd2 = 25 mmv1 = 0,75 m/s
L/s
Следующая задача →

Что вы отрабатываете

  1. Лёгкаянеразрывность
  2. Средняягоризонтальное сужение
  3. Сложнаявосходящая труба

Основные формулы

Неразрывность
A1v1 = A2v2
Бернулли
p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
Расход
Q = A·v
Площадь круга
A = πd²/4

Изучите тему «Неразрывность и Бернулли» с нуля

Перед этим: Гидростатическое давление

1О чём говорят неразрывность и уравнение Бернулли

Закройте большим пальцем конец садового шланга, и вода польётся быстрее. То же количество воды должно пройти через меньшее отверстие, поэтому ей приходится двигаться быстрее.

Это и есть неразрывность: в заполненной трубе вода не может накапливаться или исчезать. Сколько воды втекает за секунду, столько и вытекает.

Вторая идея — уравнение Бернулли — связывает скорость, давление и высоту. Где вода ускоряется, её давление падает. Где она поднимается, её давление тоже падает.

Вместе эти две идеи позволяют предсказать скорость и давление в любой точке трубы. В этой теме жидкость несжимаема (как вода), а потери на трение не учитываются.

Самопроверка Вода течёт по трубе, которая сужается. Что происходит с её скоростью в узкой части?
  1. Вода останавливается
  2. Не меняется
  3. Увеличивается
  4. Уменьшается

Ответ: Увеличивается. Одинаковый объём в секунду должен пройти через меньшую площадь, поэтому вода должна двигаться быстрее.

2Расход и неразрывность

Объёмный расход Q — это объём жидкости, проходящий за секунду, в m³/s. Один литр в секунду (L/s) равен 0,001 m³/s.

Для жидкости, движущейся со средней скоростью v через сечение площадью A:

Q = A · v A = π · d² / 4

Массовый расход равен ṁ = ρ · Q, в kg/s, где ρ — плотность (1000 kg/m³ для воды).

Неразрывность означает, что Q одинаков в каждом сечении трубы:

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

Для круглых труб π/4 сокращается, поэтому v2 = v1 · (d1 / d2)². Уменьшение диаметра вдвое делает воду в четыре раза быстрее.

Самопроверка Труба сужается с 80 mm до 40 mm. В широкой части вода движется со скоростью 1 m/s. Как быстро она движется в узкой части?
  1. 0,25 m/s
  2. 2 m/s
  3. 4 m/s
  4. 8 m/s

Ответ: 4 m/s. v2 = 1 · (80/40)² = 4 m/s. Площадь зависит от квадрата диаметра. Если взять отношение диаметров без возведения в квадрат, получится 2 m/s.

3Уравнение Бернулли

Вдоль линии тока без потерь энергия на кубический метр жидкости остаётся постоянной. Она состоит из трёх частей: давления, движения и высоты.

p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
  • p: давление, в Pa.
  • ½ρv²: кинетическая энергия на m³, тоже в Pa.
  • ρgz: энергия высоты на m³, где z — высота над любым выбранным вами уровнем отсчёта.

Значит, если одна часть растёт, другая должна уменьшаться. У более быстрой воды давление ниже. У более высокой воды давление ниже.

Полезный частный случай — резервуар, который опорожняется через небольшое отверстие на глубине h под открытой поверхностью. Поверхность почти не движется, и в обеих точках давление равно атмосферному, откуда получается закон Торричелли:

v = √(2gh)
Самопроверка Открытый резервуар с водой опорожняется через небольшое отверстие в 5 m ниже поверхности воды. Без учёта потерь, с какой скоростью вытекает струя? (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

Ответ: 9,90 m/s. v = √(2 · 9,81 · 5) = √98,1 = 9,90 m/s. Если забыть 2, получится 7,00 m/s, а если забыть квадратный корень — 98,1.

4Метод по шагам

  1. Нарисуйте трубу и пронумеруйте два сечения: 1 — где вы знаете больше всего, 2 — где находится неизвестное.
  2. Переведите единицы: mm в m, kPa в Pa, L/s в m³/s.
  3. Найдите площади A = π·d²/4 и с помощью неразрывности получите недостающую скорость.
  4. Запишите уравнение Бернулли между сечениями 1 и 2. Для горизонтальной трубы z1 = z2, поэтому члены с высотой сокращаются.
  5. Решите относительно неизвестной величины, затем при необходимости переведите обратно в kPa.

Сохраняйте согласованные единицы. При ρ в kg/m³ и v в m/s член ½ρv² получается в Pa, а не в kPa.

5Разобранный пример

Пройдите каждый шаг. Попробуйте предсказать следующий, прежде чем открыть его.

Разобранный пример

Вода (ρ = 1000 kg/m³) течёт по горизонтальной трубе, которая сужается со 100 mm до 50 mm. В широком сечении давление равно 200 kPa, а скорость 1,5 m/s. Без учёта потерь найдите давление в узком сечении.

1

Нарисуйте трубу

121,5 m/sv2​100 mm50 mm200 kPap2​ = ?

Сечение 1 — широкая часть, где всё известно. Сечение 2 — узкая часть.

2

Скорость в узкой части

Диаметр уменьшается вдвое, поэтому скорость растёт в (100/50)² = 4 раза:

v2 = 1,5 · (100 / 50)² = 6 m/s
3

Запишите уравнение Бернулли

Труба горизонтальна, поэтому члены с высотой сокращаются:

p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²)
4

Подставьте значения, в паскалях

½ · 1000 · (1,5² − 6²) = 500 · (2,25 − 36) = −16 875 Pa
p2 = 200 000 − 16 875 = 183 125 Pa ≈ 183,1 kPa
5

Проверьте ответ

В узкой части вода быстрее, поэтому её давление должно быть ниже. 183,1 kPa ниже, чем 200 kPa, как и ожидалось.

Расход равен Q = 0,007854 · 1,5 = 11,8 L/s в обоих сечениях.

Ответ

p2 ≈ 183,1 kPa в узком сечении (v2 = 6 m/s).

6Типичные ошибки

  • Использовать отношение диаметров вместо отношения площадей: скорости меняются пропорционально квадрату диаметра.
  • Подставлять радиус как диаметр в A = π·d²/4 или забывать про /4.
  • Смешивать kPa и Pa. В уравнении Бернулли работайте в Pa, а в конце переведите.
  • Записывать m³/s как L/s. Чтобы получить L/s, умножьте m³/s на 1000.
  • Забывать член высоты ρ·g·Δz, когда труба поднимается или опускается.
Самопроверка Вода течёт со скоростью 2 m/s по трубе с внутренним диаметром 100 mm. Каков объёмный расход?
  1. 0,0157 L/s
  2. 15,7 L/s
  3. 20 L/s
  4. 62,8 L/s

Ответ: 15,7 L/s. A = π · 0,1²/4 = 0,007854 m², поэтому Q = 0,007854 · 2 = 0,0157 m³/s = 15,7 L/s. Если забыть /4, получится 62,8, а если забыть π/4 — 20.

7Как выглядят экзаменационные задачи

  • Лёгкая: неразрывность. Найдите расход, массовый расход, скорость в более узком сечении или диаметр трубы для заданного расхода. В некоторых вопросах используется закон Торричелли для опорожняющегося резервуара.
  • Средняя: горизонтальный переходник. Найдите давление в одном сечении по другому. Варианты используют расходомер Вентури, трубку Пито (v = √(2Δp/ρ)) или отверстие с коэффициентом расхода.
  • Сложная: поднимающаяся труба. Важен член высоты: каждый метр подъёма снижает давление на ρ·g·1 = 9,81 kPa для воды. Варианты включают сифон, резервуар под давлением и фонтан.

В приведённом выше примере подъём на 5 m между сечениями снизил бы p2 ещё на 1000 · 9,81 · 5 = 49 050 Pa, до 134,1 kPa.

Изучайте шаг за шагом в приложенииИзучайте шаг за шагом в приложении

Разобранные примеры

Пример 1Лёгкая
12d1​ = 100 mm, v1​ = 2,75 m/sd2​ = 50 mm, v2​ = ?

Вода течёт по трубе, диаметр которой сужается с 100 mm до 50 mm. Скорость в широкой части 2,75 m/s. Найдите скорость v2 в узкой части.

d1 = 100 mmd2 = 50 mmv1 = 2,75 m/s

Найти: v2 (m/s)

Показать подсказки
  1. Каждую секунду через каждое сечение проходит один и тот же объём воды: Q = A·v.
  2. A₁v₁ = A₂v₂, а площадь пропорциональна d², поэтому v₂ = v₁·(d₁/d₂)².
  3. A1 = 0,007854 m².
Показать ответ и пошаговое решение

Неразрывность и Бернулли: для несжимаемой жидкости расход одинаков в каждом сечении, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Вдоль линии тока без потерь p + ½ρv² + ρgz постоянно, поэтому там, где жидкость быстрее или выше, давление ниже.

Неразрывность

Расход одинаков в обоих сечениях.

A1v1 = A2v2
v2 = v1·(d1/d2)² = 2,75·(100/50)² = 11 m/s

Ответ

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

Вода течёт по горизонтальной трубе, которая сужается с 150 mm до 50 mm. В широкой части давление 250 kPa, а скорость 0,5 m/s. Пренебрегая потерями, найдите давление p2 в узкой части.

d1 = 150 mmd2 = 50 mmp1 = 250 kPav1 = 0,5 m/sρ = 1000 kg/m³

Найти: p2 (kPa)

Показать подсказки
  1. Сначала из уравнения неразрывности найдите скорость в узкой части.
  2. Бернулли для горизонтальной трубы: p₁ + ½ρv₁² = p₂ + ½ρv₂².
  3. v2 = 4,5 m/s.
Показать ответ и пошаговое решение

Неразрывность и Бернулли: для несжимаемой жидкости расход одинаков в каждом сечении, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Вдоль линии тока без потерь p + ½ρv² + ρgz постоянно, поэтому там, где жидкость быстрее или выше, давление ниже.

Неразрывность и Бернулли

Считайте в Pa, затем разделите на 1000, чтобы получить 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

Ответ

p2 = 240 kPa
Пример 3Сложная
pair​ = 190 kPaQ = ?d = 25 mmh = 4 m

В закрытом резервуаре над водой находится сжатый воздух с избыточным давлением 190 kPa. Вода вытекает в атмосферу через отверстие диаметром 25 mm, расположенное на 4 m ниже поверхности воды. Пренебрегая потерями, найдите расход Q. Примите g = 9,81 m/s².

pair = 190 kPa (избыточное)h = 4 md = 25 mmρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²

Найти: Q (L/s)

Показать подсказки
  1. Уравнение Бернулли от поверхности воды (избыточное давление p, покой) до струи (атмосферное давление).
  2. p/ρ + gh = ½v², поэтому v = √(2(p/ρ + gh)), где p в Pa.
  3. p/ρ + gh = 229,2 m²/s².
Показать ответ и пошаговое решение

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.

Уравнение Бернулли от поверхности до струи

v = √(2·(190000/1000 + 9,81·4)) = 21,41 m/s

Расход

Q = A·v = 0,0004909·21,41 = 0,01051 m³/s = 10,51 L/s

Ответ

Q = 10,51 L/s

Вопросы и ответы

Неразрывность и Бернулли: что это?

Закройте большим пальцем конец садового шланга, и вода польётся быстрее. То же количество воды должно пройти через меньшее отверстие, поэтому ей приходится двигаться быстрее.

Это и есть неразрывность: в заполненной трубе вода не может накапливаться или исчезать. Сколько воды втекает за секунду, столько и вытекает.

Неразрывность и Бернулли: как решать задачи шаг за шагом?

Неразрывность и Бернулли: для несжимаемой жидкости расход одинаков в каждом сечении, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Вдоль линии тока без потерь p + ½ρv² + ρgz постоянно, поэтому там, где жидкость быстрее или выше, давление ниже.

Неразрывность и Бернулли: какие ошибки самые частые?
  • Давление воздуха тоже выталкивает воду: учтите p/ρ в уравнении Бернулли.
  • Высота столба воды тоже увеличивает скорость: v = √(2(p/ρ + gh)).
Неразрывность и Бернулли: что вы тренируете?
  • Лёгкая: неразрывность
  • Средняя: горизонтальное сужение
  • Сложная: восходящая труба

В каждой задаче новые значения, поэтому вы учите метод, а не ответ. Застряли? Сначала откройте небольшую подсказку, а полное объяснение — только когда оно понадобится.

Как проходят занятия

  • В каждой задаче новые значения, поэтому вы учите метод, а не ответ.
  • Застряли? Сначала откройте небольшую подсказку, а полное объяснение — только когда оно понадобится.
  • Ваш прогресс, ошибки и сохранённые задачи остаются, поэтому перед экзаменом вы сможете всё повторить.

Темы до и после этой

Сначала изучите

Далее

Калькуляторы

Курсы с этой темой

Другие темы: Машиностроение

Лист заданий для печати