Wykład Nr 6
1. Ciekawe zjawiska i paradoksy związane z wodą Anomalia wody: W zwykłych warunkach woda pozostaje cieczą co stanowi podstawową anomalię właściwości dwuskładnikowych połączeń wodoru z innymi pierwiastkami należącymi do tej samej grupy układu okresowego wg którego woda w stanie płynnym powinna występować jedynie w zakresie temperatur od –80C do – 95C. Kolejną anomalią jest to, że w zakresie temperatur od+4 do 0C gęstość wody rośnie osiągając w temperaturze +4C maksymalną wartość. W temperaturze 0C woda przechodzi w stan stały tworząc lód, który wypływa na powierzchnię wody. Ta właśnie cecha wody powoduje, że zimna woda na dnie zbiornika wodnego nie zamarza, co w okresie zimy stwarza warunki do przetrwania życia dla wielu organizmów żywych.
1.1. Zjawisko włoskowatości Jeśli siły spójności są większe od sił przylegania to mówimy, że ciecz nie zwilża ścianek naczynia i tworzy się wtedy menisk wypukły. Tak zachowuje się rtęć w szklanych naczyniach. Można to również zaobserwować jeśli naczynie szklane natłuścimy i wlejemy wodę, bowiem siły przylegania między cząsteczkami wody i tłuszczu są znacznie mniejsze od sił spójności między cząsteczkami wody. Własność tą wykorzystują kaczki i inne ptaki wodne. Pióra są nasiąknięte tłuszczem i woda nie dostaje się pomiędzy pióra. Podobnie woda nie może zwilżać owadów wodnych ślizgających się po powierzchni stawów, więc pokryte są substancją której siły przylegania z wodą są małe.
Jeśli siły przylegania są większe od sił spójności to mówimy, że ciecz zwilża ścianki naczynia i tworzy się wtedy menisk wklęsły. Tak zachowuje się woda w szklanej rurce. Bardzo wąskie rurki, których średnica jest rzędu jednego milimetra lub mniejsza, nazywamy włoskowatymi lub kapilarnymi (od łacińskiego słowa capillus - włos). Jeśli taką rurkę zanurzymy w cieczy, która ją zwilża (na przykład rurkę szklaną w wodzie), to tworzy się menisk wklęsły. Powstaje wtedy ciśnienie powierzchniowe, które powoduje podnoszenie się cieczy powyżej powierzchni swobodnej cieczy w danym naczyniu. Im mniejsza jest średnica naczynia tym wysokość na jaką podnosi się woda jest większa.
1.2. Napięcie powierzchniowe Napięcie powierzchniowe cieczy powstaje w wyniku wzajemnego oddziaływania cząsteczek we wnętrzu i na powierzchni cieczy. Cząsteczki położone w warstwie powierzchniowej znajdują się w zupełnie innych warunkach jak cząsteczki znajdujące się we wnętrzu cieczy. Siła wypadkowa działająca na cząsteczki położone na powierzchni jest skierowana w głąb cieczy i działa prostopadle do jej powierzchni i usiłuje zmniejszyć swobodną powierzchnię cieczy. Ciecz dąży zatem do zmniejszenia liczby cząsteczek na swojej powierzchni, a więc do osiągnięcia możliwie najmniejszej swobodnej powierzchni.
Napięcie powierzchniowe utrzymuje na wodzie:
Rtęć wylana na powierzchnię szklaną tworzy kulki
1.3. Korki powietrzne
Problem ogrodnika … chyba zabrakło wody.
1.4. Wypór hydrostatyczny Kluczem do zrozumienia zachowania się nurka jest bąbelek powietrza, uwięziony w „nurku”. Gdy ściskamy balonik, wzrasta w środku ciśnienie, które powoduje zmniejszanie się objętości pęcherzyka powietrza. A to oznacza, że zmniejszyła się wyporność nurka – ponieważ do środka wlewa się więcej wody. Nurek tonie. Nurek Kartezjusza
Dziełem Herona z Aleksandrii była m. in Dziełem Herona z Aleksandrii była m.in. fontanna składająca się z trzech naczyń: jednego otwartego A, w którym znajdował się wylot wodotrysku i dwóch zamkniętych B i C, służących do zapewnienia odpowiedniego ciśnienia wody u wylotu strumienia. Fontanna działa, jeśli w naczyniu środkowym B było dostatecznie dużo wody, a sprężone powietrze z naczynia dolnego C zapewniało dostatecznie wysokie ciśnienie. Powietrze w zbiornikach C i B było oczywiście sprężone przez wodę przepływającą z otwartego zbiornika A do zbiornika dolnego C. Fontanna Herona
Oddziaływanie adhezyjne na przykładzie cząsteczek wody na pajęczynie. 1.5. Adhezja (łac. przyleganie) - łączenie się ze sobą powierzchniowych warstw ciał fizycznych lub faz (stałych lub ciekłych). Miarą adhezji jest praca przypadająca na jednostkę powierzchni którą należy wykonać aby rozłączyć stykające się ciała. Oddziaływanie adhezyjne na przykładzie cząsteczek wody na pajęczynie. Adhezja występuje m.in. przy klejeniu (kleje adhezyjne) i malowaniu, stosowaniu kartek i taśm przylepnych.
1.6. Efekt Coandy –zjawisko fizyczne polegające na tym, iż strumień płynu ma tendencję do przylegania do najbliższej powierzchni. Efekt został nazwany od nazwiska odkrywcy Henri Coandy. Efekt Coandy ma wiele zastosowań w różnych urządzeniach lotniczych, gdzie powietrze poruszające się nad skrzydłem może być skierowane w stronę ziemi poprzez użycie łopatek i ustawienie dyszy ponad zakrzywioną powierzchnią.
Zjawisko Venturiego Paradoks hydrodynamiczny
2. Siła nośna Opływ płata aerodynamicznego
Piłeczka w strumieniu powietrza
3. Efekt Magnusa W 1852 r. niemiecki fizyk i chemik w jednej osobie H. G. Magnus (1820 - 1870 r.), odkrył ciekawe zjawisko: przy opływie walca, wirującego wokół własnej osi, powstaje siła działająca na walec w kierunku prostopadłym do kierunku strumienia opływającego. Jest to siła nośna, około 19 razy większa od siły nośnej najdoskonalszego profilu lotniczego o tej samej powierzchni.
W 1840 r. podczas próbnego strzelania gładkimi pociskami kulistymi niemieccy żołnierze ze zdziwieniem stwierdzili, że jeden z pocisków upadł za moździerzem zamiast przed nim. To zagadkowe i niebezpieczne m.in. dla strzelających zjawisko wyjaśnił dopiero H. G. Magnus kilkanaście lat później. Efekt Magnusa jest bardzo ważny w przypadku wirującego walca. Historyczny przekaz wskazuje jednak i na to, że może być wyraźny także w przypadku kul moździerzowych.
4. Bumerang Bumerang wirując porusza się do przodu. Prędkość obrotu górnego skrzydła, poruszającego się pod wiatr jest większa niż dolnego, ułożonego przeciwlegle. Różnica w prędkościach zamienia się w siłę nośną. Siła nośna górnego skrzydła rośnie podczas gdy dolnego maleje. W wyniku różnicy sił nośnych, na bumerang działać zaczyna siła wprowadzająca jego górną część w lewostronny, czyli odwrotny do ruchu wskazówek zegara, ruch wirowy. Siła ta nazywana jest momentem obrotowym. Bumerang starając się utrzymać oś obrotu, zmienia kierunek lotu w lewo. Pod wpływem różnic sił nośnych przewraca się, zmienia kierunek, znów się przewraca i znów zmienia kierunek. Ten cykl powtarza się kilkakrotnie i w efekcie bumerang zawraca lewostronnym ruchem wirowym. Jest to zachowanie podobne do bączka, który zaczyna poruszać się na boki gdy zaczyna się przewracać. Ruch ten nazywany jest precesją żyroskopową.
5. Zjawisko kawitacji Zjawisko objaśnione pierwszy raz przez Osborna Reynoldsa w 1894 r. Nazwa została wzięta od łacińskiego słowa cavitas – jama, pustka. Kawitacja - zjawisko wywołane zmiennym polem ciśnienia w cieczy, polega na powstawaniu, wzroście i zaniku pęcherzyków lub innych obszarów zamkniętych (kawern) zawierających parę danej cieczy, rozpuszczone w niej gazy lub mieszaninę wodno-parową. W obszarze zmniejszonego ciśnienia poniżej wartości krytycznej pęcherzyki rosną (eksplozja), a następnie gwałtownie zmniejszają się (implozja) w obszarze ciśnienia większego od wartości krytycznej.
5.1 Kawitacja w płynach nieniutonowskich Zainteresowanie badaczy kawitacji w cieczach nieniutonowskich wynika z dwóch przesłanek. Pierwszą z nich jest fakt, że w naturze kawitacja występuje także w cieczach o złożonych właściwościach reologicznych, choćby w procesie transportu takich cieczy za pomocą pomp wirowych lub wyporowych. Drugą przesłanką jest możliwość ograniczania kawitacji w systemach hydraulicznych za pomocą dodatków substancji zmieniających właściwości reologiczne cieczy. Wcześniej wykazano, że czynnikiem niezbędnym do powstania kawitacji są zarodki kawitacyjne. Zachodzi podejrzenie, że makromolekuły o strukturze łańcuchowej, charakterystyczne dla niektórych wielkocząsteczkowych polimerów, mogą wywoływać efekt odwrotny: zwiększać odporność cieczy na rozerwanie, zwłaszcza w obrębie naturalnych zarodków kawitacyjnych. Niektóre badania eksperymentalne obłoku kawitacyjnego, początku kawitacji i uszkodzeń kawitacyjnych potwierdzają to przypuszczenie. Dodatki polimerów ograniczają kawitację na śrubach okrętowych, podczas wypływu przez otwory, a także w maszynach przepływowych. Podobne wnioski wynikają z prac teoretycznych.
Zdjęcia obłoku kawitacyjnego w zwężeniu przewodu: a) bez dodatku polimeru, b) z dodatkiem polimeru
5.2. Erozja kawitacyjna Erozją kawitacyjną nazywane jest zjawisko mechanicznego niszczenia materiału wskutek implozji pęcherzyków kawitacyjnych w pobliżu lub bezpośrednio na powierzchni ścian i polegające na powstaniu ubytku materiału. Na przebieg erozji kawitacyjnej wpływa wiele parametrów uwzględniających fizyczne i chemiczne właściwości cieczy i niszczonego materiału oraz natężenie kawitacji. Skutki kawitacji obserwowano już pod koniec XIX w. w postaci zniszczonych wirników turbin wodnych i śrub okrętowych. Początkowo te uszkodzenia przypisywano różnym odmianom korozji. Na podstawie chemicznej teorii erozję kawitacyjną kojarzono z agresywną korozją, aktywizowaną przez kawitację wskutek wydzielania gazów, podwyższania temperatury itp. Według elektrochemicznej teorii erozja kawitacyjna wiąże się z jonizacją gazów w czasie implozji pęcherzyków kawitacyjnych W związku z tym na materiał mogą oddziaływać zjawiska chemiczne i elektryczne.
5.3. Skutki erozji kawitacyjnej Elementy pompy diagonalnej zniszczone przez kawitację: a) wirnik, b) wycinek kadłuba Przykład zużycia kawitacyjnego - płyta boczna pompy łopatkowej
Wskaźnikiem skutków erozji kawitacyjnej jest ubytek masy do czasu trwania erozji
Uszkodzenia spowodowane kawitacją po roku normalnej pracy śruby okrętowej
6. Taran hydrauliczny Urządzenie do podnoszenia cieczy na poziom wyższy od poziomu cieczy w zbiorniku zasilającym, wykorzystujące zjawisko uderzenia hydraulicznego; przepływ cieczy w przewodzie zasilającym jest okresowo blokowany, co wywołuje nagły wzrost ciśnienia i przetłoczenie części cieczy do zbiornika zasilanego, to z kolei powoduje spadek ciśnienia i otwarcie zaworu blokującego przepływ cieczy w przewodzie zasilającym; proces powtarzany jest cyklicznie; ideę t.h. opracował 1803J.M. Mongolfier; obecnie rzadko stosowany.
7. Rodzaje przepływów, stateczność przepływu laminarny turbulentny Eksperyment Reynoldsa
7.1. Przepływ laminarny W przepływie laminarnym cząstki płynu poruszają się po torach prostych lub łagodnie zakrzywionych, narzuconych przez kształty ścian ograniczających te przepływy. Poruszający się płyn tworzy jakby warstwy ślizgające się po sobie. Pomiędzy warstwami wymiana masy i pędu zachodzi tylko na poziomie mikroskopowym (cząsteczek), a w skali makroskopowej (cząsteczek) nie. O przebiegu zjawiska decydują siły lepkości, które dominują nad siłami bezwładności. Przypadkowo powstające zaburzenia są natychmiast tłumione. Przepływ laminarny nazywamy więc przepływem statecznym.
Przejście pomiędzy przepływem laminarnym i turbulentnym