生活中的流體力學(xué)知識研究報(bào)告和生活中的物理手抄報(bào)

工程流體力學(xué)三級項(xiàng)目報(bào)告multinuclearprogramdesignExperimentReport項(xiàng)目名稱：班級：姓名：指導(dǎo)教師：日期：摘要簡要介紹了流體力學(xué)在生活中的應(yīng)用，涉及到體育，工業(yè)，生活小竅門等。討論了一些流體力學(xué)原理。許許多多的現(xiàn)象都與流體力學(xué)有關(guān)。為什么洗衣機(jī)老翻衣兜？倒啤酒要注意什么訣竅？高爾夫球?yàn)槭裁词锹槟樀?？本文將就以上三個(gè)問題討論流體力學(xué)中一些簡單的原理，如伯努力定律，雷諾數(shù)，邊界層分離等，展現(xiàn)流體力學(xué)的廣泛應(yīng)用，證明流體力學(xué)妙趣橫生。關(guān)鍵字：伯努利定律;層流;湍流;空氣阻力;雷諾數(shù);高爾夫球

前言也許，到現(xiàn)在你都有點(diǎn)不會(huì)相信，其實(shí)我們生活在一個(gè)流體的世界里。觀察生活時(shí)我們總可以發(fā)現(xiàn)。生活離不開流體，尤其是在社會(huì)高速發(fā)展的今天。鷹擊長空，魚翔淺底；汽車飛奔，乒乓極旋，許許多多的現(xiàn)象都與流體力學(xué)有關(guān)。為什么洗衣機(jī)老翻衣兜？倒啤酒要注意什么訣竅？高爾夫球?yàn)槭裁词锹槟樀?？本文將就以上三個(gè)問題討論流體力學(xué)中一些簡單的原理，如伯努力定律，雷諾數(shù)，邊界層分離等，展現(xiàn)流體力學(xué)的廣泛應(yīng)用，證明流體力學(xué)妙趣橫生。生活中的很多事物都在經(jīng)意或不經(jīng)意中巧妙地掌握和運(yùn)用了流體力學(xué)的原理，讓其行動(dòng)變得更靈活快捷。一、麻臉的高爾夫球（用雷諾數(shù)定量解釋）不知道大家有沒有發(fā)現(xiàn)，高爾夫球的表面做成有凹點(diǎn)的粗糙表面，而不是平滑光趟的表面，就是利用粗糙度使層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯呐R界雷諾數(shù)減小，使流動(dòng)變?yōu)槲闪?，以減小阻力的實(shí)際應(yīng)用例子。最初，高爾夫球表面是做成光滑的，如圖1—1，后來發(fā)現(xiàn)表面破損的舊球圖1-1光滑面1-2粗糙面反而打的更遠(yuǎn)。原來是臨界Re數(shù)不同的結(jié)果。光滑的球由于這種邊界層分離得早，形成的前后壓差阻力就很大，所以高爾夫球在由皮革改用塑膠后飛行距離便大大縮短了，因此人們不得不把高爾夫球做成麻臉的，即表面布滿了圓形的小坑。麻臉的高爾夫球有小坑，飛行時(shí)小坑附近產(chǎn)生了一些小漩渦，由于這些小漩渦的吸力，高爾夫球附近的流體分子被漩渦吸引，邊界層的分離點(diǎn)就推后許多，這時(shí)在高爾夫球后面所形成的大漩渦區(qū)便比光滑的球所形成漩渦區(qū)小很多，從而使得前后壓差所形成的阻力大為減小。實(shí)際上，對光滑的高爾夫球，一桿子最多飛行數(shù)十米，而麻臉的高爾夫球一桿子可以飛行二百多米?？梢姼郀柗蚯蚵槟樀臏p阻效應(yīng)是非常明顯的。用雷諾數(shù)定量解釋上文中從微觀渦旋角度定性解釋了高爾夫球麻臉原因，下面將從具體雷諾數(shù)定量解釋:圖所示的就是粗糙與光滑表面的球的阻力系數(shù)Cd隨Re變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖可知光滑球和粗糙球的阻力系數(shù)Cd隨Re變化有一個(gè)突降點(diǎn)。這種現(xiàn)象可解釋如下:以光滑球?yàn)槔?，突降點(diǎn)在Re=3x10E5即a點(diǎn)附近，當(dāng)Re<3x10E5時(shí)，邊界層為層流狀態(tài)，當(dāng)Re>3x10E5時(shí)，脫體點(diǎn)附近已是湍流邊界層，由于層內(nèi)和層外流體通過脈動(dòng)發(fā)生強(qiáng)烈的動(dòng)量交換，所以動(dòng)量較大的邊界層外部流體將有力的幫助層內(nèi)流體克服逆壓和粘性滯帶作用而向前運(yùn)動(dòng)，這樣推遲了脫體現(xiàn)象的發(fā)生，從而縮小尾渦區(qū)，使壓差阻力大大減小。一般高爾夫球運(yùn)動(dòng)員，擊球速度可達(dá)v。=61.0m/s(球的質(zhì)量=0.046kg，直徑d=0.0426m(將此速度和標(biāo)準(zhǔn)壓力下20空氣的黏度μ=1.810×N/S*m、密度ρ=1.205kg/m代入可算得雷諾數(shù)Re=1.73×10E5(由此查圖l可知，粗糙球阻力系數(shù)Cd=0.26，光滑球阻力系數(shù)Cd=0.48(分別對應(yīng)圖的c點(diǎn)和d點(diǎn))(結(jié)果說明，在球的大小、初速度和質(zhì)量均相同的條件下，粗糙球所受阻力近似是光滑球的一半，所以麻臉高爾夫球比光滑的飛的更遠(yuǎn)些。二、游泳（水流體壓力平衡）同樣在游泳的時(shí)候，也受到流體的作用。游泳是在水中進(jìn)行的周期性運(yùn)動(dòng)。人在水中的漂浮能力與身體所持姿勢直接相關(guān)。身體保持流線型（吸足氣），使重心與水的浮心接近一條直線，就能漂浮較長時(shí)間；如果先吸足氣，雙臂卻緊貼體側(cè)，胸腔雖充足氣，但下肢相對上身比重較大，下肢很快就會(huì)下沉。因此，游泳不但要充分利用水的浮力，如圖2-1所示。而且要盡量減少失去浮力的時(shí)間，如頭不要抬得太高，身體不能起伏轉(zhuǎn)動(dòng)太大，空中移臂時(shí)間宜短等。游泳者游進(jìn)時(shí)受到相反方向的阻力作用。游泳得阻力包括水的摩擦阻力、波浪阻力和物體得形狀阻力。設(shè)流線型物體的阻力為1，那么其他形狀物體的阻力就大幾倍至100倍。推進(jìn)力是指做臂劃水或腿打水（蹬夾水）動(dòng)作時(shí)給水一個(gè)作用力，水就給人體一個(gè)力量大小相等的反作用力，這個(gè)力就叫推進(jìn)力。游泳就是靠臂繞肩關(guān)節(jié)和腿繞髖關(guān)節(jié)，以復(fù)雜的弧線做圓周運(yùn)動(dòng)。根據(jù)圓周運(yùn)動(dòng)的有關(guān)原理，角速度相等時(shí)，半徑越長線速度越大。所以，游泳運(yùn)動(dòng)過程中，距肩和髖最遠(yuǎn)的手和腳的速度最大。臂劃水的作用面是手掌和前臂，腿打、踢水的作用面主要是腳面和小腿前側(cè)；腿蹬夾水的主要作用面則是腳和小腿內(nèi)側(cè)。增加這些部位對水的橫切面（如佩帶蹼具等），就能產(chǎn)生更大的推進(jìn)力。圖2-1圖3-1箱型車三、汽車領(lǐng)域（伯努利定律）在我們身邊來來往往飛馳的汽車，更是與流體力學(xué)的巧妙結(jié)合。汽車發(fā)明于19世紀(jì)末，當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為汽車的阻力主要來自前部對空氣的撞擊，因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車，阻力系數(shù)（CD）很大，約為0.8。實(shí)際上汽車阻力主要來自后部形成的尾流，稱為形狀阻力。其車型如3-1.

20世紀(jì)30年代起，人們開始運(yùn)用流體力學(xué)原理改進(jìn)汽車尾部形狀，出現(xiàn)甲殼蟲型，如圖3-2，阻力系數(shù)降至0.6。20世紀(jì)50－60年代改進(jìn)為船型，如圖3-3，阻力系數(shù)為0.45。80年代經(jīng)過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究后，又改進(jìn)為魚型，如圖3-4，阻力系數(shù)為0.3，以后進(jìn)一步改進(jìn)為楔型，如圖3-5，阻力系數(shù)為0.2。90年代后，科研人員研制開發(fā)的未來型汽車，如圖3-6，阻力系數(shù)僅為0.137?？梢哉f汽車的發(fā)展歷程就是代表了流體力學(xué)不斷完善的過程。

圖3-2甲殼蟲型圖3-3船型以卡車為例，影響和提升汽車的動(dòng)力特性的裝置主要的是它的導(dǎo)流罩。研究表明，在廂式貨車上安裝導(dǎo)流罩，可以大幅度的降低氣動(dòng)阻力、節(jié)省燃料消耗。安裝導(dǎo)流罩使得氣動(dòng)阻力系數(shù)曲線上的臨界雷諾數(shù)增大:設(shè)置薄壁式的導(dǎo)流罩底邊和駕駛室頂面之間的間隙，可以增強(qiáng)導(dǎo)流罩的減阻效果。在廂式貨車尾部安裝渦流穩(wěn)定器，可以降低尾渦區(qū)內(nèi)氣流能量的消耗，使靜壓回升，壓差阻力減小。圖3-4魚型圖3-5楔型前上部導(dǎo)流罩裝在駕駛室頂上，能將迎面氣流導(dǎo)向車頂和側(cè)圍，消除或向高出駕駛室頂部以及駕駛室與貨箱之間空間的影響。他有三種形式：板罩式，立體式和渦流凹板式，三種形式分別可使氣動(dòng)阻力降低20%~30%，25%~35%，15%~20%，第一種已被大量采用，第二種用得比較廣，第三種使用的有限。前下部導(dǎo)流罩和前側(cè)阻翼板，倆者均裝在保險(xiǎn)杠上，下部導(dǎo)流罩使進(jìn)入車下的導(dǎo)流不與車下部分突出的構(gòu)建相互作用，從而可使汽車的氣動(dòng)阻力降低10%~15%。車身前側(cè)導(dǎo)流罩和前側(cè)翼板，這倆種裝置都在車身前部分的流線形，可以改善車身部分的流線形，使汽車的氣動(dòng)阻力分別降低10%~15%和5%~10%。車身前端面和錐形分流器圖3-6未來車型及駕駛室與車身之間的隔板，這種裝置部分或全部地?fù)踝●{駛室與貨廂只見的空隙，以消除側(cè)風(fēng)的影響，前者使氣動(dòng)阻力降低5%~10%用得相當(dāng)廣；后者使氣動(dòng)阻力降低10%~15%但用得相當(dāng)少。導(dǎo)流罩對卡車的氣動(dòng)特性有很大的影響?？ㄜ囈捎幂o助措施使其有平滑的過渡面，是其表面外形不易產(chǎn)生渦流。最重要的是導(dǎo)流罩的處理，應(yīng)由到氣流平順的流過頂蓋。廂式貨車安裝導(dǎo)流罩可使汽車表面的流譜發(fā)生重要變化，流譜的改變可大幅度的減小氣動(dòng)阻力，對減阻節(jié)能意義重大。四、生活中的牛頓流體對于牛頓流體，英國科學(xué)家牛頓于1687年，發(fā)表了以水為工作介質(zhì)的一維剪切流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)是在兩平行平板間充滿水時(shí)進(jìn)行的，下平板固定不動(dòng)，上平板在其自身平面內(nèi)以等速U向右運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，附著于上、下平板的流體質(zhì)點(diǎn)的速度，分別是U和0，如圖4-1，兩平板間的速度呈線性分布，斜率是黏度系數(shù)。由此得到了著名的牛頓黏性定律。

圖4-1牛頓流動(dòng)定律

斯托克斯1845年在牛頓這一實(shí)驗(yàn)定律的基礎(chǔ)上，作了應(yīng)力張量是應(yīng)變率張量的線性函數(shù)、流體各向同性及流體靜止時(shí)應(yīng)變率為零的三項(xiàng)假設(shè)，從而導(dǎo)出了廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)研究的線性本構(gòu)方程，以及被廣泛應(yīng)用的納維-斯托克斯方程（簡稱：納斯方程）。

后來人們在進(jìn)一步的研究中知道，牛頓黏性實(shí)驗(yàn)定律（以及在此基礎(chǔ)上建立的納斯方程），對于描述像水和空氣這樣低分子量的簡單流體是適合的，而對描述具有高分子量的流體就不合適了，那時(shí)剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間己不再滿足線性關(guān)系。為區(qū)別起見，人們將剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間滿足線性關(guān)系的流體稱為牛頓流體，而把不滿足線性關(guān)系的流體稱為非牛頓流體。因?yàn)閷ρ憾裕魬?yīng)力與剪切應(yīng)變率之間己不再是線性關(guān)系，己無法只給出一個(gè)斜率（即黏度）來說明血液的力學(xué)特性，只好作血流變學(xué)測試，給出二者間的非線性關(guān)系。

形形色色的非牛頓流體，早在人類出現(xiàn)之前，非牛頓流體就己存在，因?yàn)榻^大多數(shù)生物流體都屬于現(xiàn)在所定義的非牛頓流體。人身上的血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細(xì)胞質(zhì)那樣的“半流體”，都屬于非牛頓流體。五、倒啤酒的訣竅從瓶子里往杯中倒啤酒，急性子的人，把瓶子拿得很高，有點(diǎn)象倒大碗茶似地，讓啤酒水柱沖向杯底，結(jié)果總是倒?jié)M一杯泡沫，泡沫流淌得一桌子，待泡沫消失后，杯子里的啤酒卻所剩無幾。熟練的服務(wù)員則將杯子盡可能傾斜，將瓶口緊靠杯沿，讓啤酒緩慢地沿杯壁流向杯底，隨著杯子里啤酒增多，再徐徐將杯子傾角調(diào)正到豎直的位置，這樣可以倒?jié)M一杯啤酒而不產(chǎn)生多少泡沫。人們不無詼諧地把這種倒啤酒的竅門總結(jié)為三個(gè)含諧音的成語:“歪門斜倒(邪道)，杯壁(卑鄙)下流，改斜(邪)歸正。我們把前面說的兩種倒啤酒的方法稱為直沖式與斜溜式。為什么斜溜式產(chǎn)生的泡沫少，而直沖式的倒法產(chǎn)生的泡沫多呢？靜止在杯中的啤酒，壓強(qiáng)各處基本上是均勻的，上層壓強(qiáng)略小于杯底，所以也是表面冒泡稍多。但是如果杯里的啤酒產(chǎn)生了不均勻流動(dòng)，則各點(diǎn)上的壓強(qiáng)是不同的，從流體力學(xué)伯努利定律知道，沿一根流線，速度大的局部壓強(qiáng)小。這些速度大的地方便會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳?xì)馀?。為了說明這一事實(shí)，取一杯靜止的新鮮啤酒，我們看到它基本上不冒氣泡。如果用一根筷子一攪，就會(huì)發(fā)現(xiàn)在筷子運(yùn)動(dòng)的尾部會(huì)冒出大量氣泡，正是那里壓強(qiáng)較低的緣故。如果把筷子在杯里作圓形攪動(dòng)，使杯中啤酒旋轉(zhuǎn)起來，拿出筷子，啤酒在杯中形成旋渦，理論分析知道旋渦中心壓強(qiáng)小，所以那里還有一串氣泡，像在陸地上看到的龍卷風(fēng)一樣，非常有趣。這就是說，如果你想讓啤酒不冒泡地倒?jié)M杯子，你就應(yīng)當(dāng)在倒的過程中，盡量減小啤酒杯中液體的相對速度，盡可能使注滿杯子的過程變?yōu)闇?zhǔn)靜態(tài)。前面說的直沖式之所以不適用，就是因?yàn)檫@種方式使啤酒柱有較大的動(dòng)量，從而杯中的啤酒速度差加大，而且形成大量的小旋渦。而斜溜式，一方面降低了啤酒從瓶口到接觸杯子這段落差，使啤酒入杯時(shí)的動(dòng)能減小;另一方面杯子傾斜可以將啤酒柱對杯子的正沖擊變?yōu)樾睕_擊，從而減小啤酒接觸瞬時(shí)的動(dòng)量改變;再者斜溜過程，增加啤酒溜到杯底的路程，在這溜的過程中杯壁近處的邊界粘性層造成對啤酒的阻力也可以減小啤酒到達(dá)杯底的速度。所以它基本上滿足盡可能準(zhǔn)靜態(tài)的要求整個(gè)過程中泡沫較少。六、洗衣機(jī)為什么老翻衣兜（伯努利原理）常用洗衣機(jī)洗衣服的人都有一種體驗(yàn)，即洗衣機(jī)把衣服洗完后，衣服的兜常常被翻過來。兜里如果原來有鋼幣鑰匙或別的東西，也會(huì)被掏出來，這是怎么回事？基本原理就是伯努利定律。定律如下:對于不變動(dòng)的流場，在一條流線上，流體質(zhì)點(diǎn)的速度與在這點(diǎn)的壓強(qiáng)成反比。通俗地說,也就是流速越大壓強(qiáng)越小。具體而言:沿一根流線，設(shè)流體質(zhì)點(diǎn)的速度為V,密度為，這點(diǎn)的壓強(qiáng)為p,它們之間關(guān)系為:當(dāng)洗衣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，衣服兜口附近的流體有一個(gè)相當(dāng)?shù)乃俣?，而衣服兜的底部流體的速度要小，這是因?yàn)檠澏档牡撞渴窃谘澩怖?，上衣的衣兜底部也是裹在衣服里頭，所以那里的流體相對衣服的速度要小得多。根據(jù)伯努利定律，衣兜底部的壓強(qiáng)就比衣兜口附近的大，這種壓差就會(huì)驅(qū)使水從衣兜底部流向衣兜口，這種流動(dòng)就足以把衣兜翻過來。參考文獻(xiàn)[1][美]吉爾·沃克，生活中的物理學(xué)[M]·徐婉華，葉慶桐譯北京科學(xué)普及版社，1984[2]姜興華等，流體力學(xué)[M]·成都曬南交通大學(xué)出版社，1999[3]趙金保．球類運(yùn)動(dòng)中的流體力學(xué)問題[J]．力學(xué)與實(shí)踐，1988[4]楊寶勝，王淑惠，仰角取何值時(shí)鉛球擲得最遠(yuǎn)物理通報(bào)[J]，1990[5]劉雅君高爾夫球射程問題的分析。大學(xué)物理，2005H物理無處不在，生活中我們常常會(huì)遇到物理現(xiàn)象，只要你留心就會(huì)發(fā)現(xiàn).讓我們一起來看看生活中的一些物理現(xiàn)象吧！與電學(xué)知識有關(guān)的現(xiàn)象

1、電飯堡煮飯、電水壺?zé)_水是利用電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，都是利用熱傳遞煮飯、燒開水的。

2、電飯煲、電水壺的三腳插頭，插入三孔插座，防止用電器漏電和觸電事故的發(fā)生。

3、微波爐加熱均勻，加熱原理是利用電能轉(zhuǎn)化為電磁能，再將電磁能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。與熱學(xué)知識有關(guān)的現(xiàn)象1、使用爐灶燒水或炒菜，要使鍋底放在火苗的外焰，不要讓鍋底壓住火頭，可使鍋的溫度升高快，是因?yàn)榛鹈绲耐庋鏈囟雀摺?/p>

2、往保溫瓶灌開水時(shí)，不灌滿能更好地保溫。因?yàn)槲垂酀M時(shí)，瓶口有一層空氣，是熱的不良導(dǎo)體，能更好地防止熱量散失。

3、用高