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1、刚体的角动量第次课1第1页，共75页，编辑于2022年，星期五注意：注意：2.在刚体对转轴的角动量的表达式中，在刚体对转轴的角动量的表达式中，所涉及的三个物所涉及的三个物理量都是相对于转轴的，所以不用写成矢量式。理量都是相对于转轴的，所以不用写成矢量式。3.对于密度均匀、形状对称、且绕几何对称轴旋转对于密度均匀、形状对称、且绕几何对称轴旋转的刚体。整个刚体对转轴上任意一点的角动量的刚体。整个刚体对转轴上任意一点的角动量L必必定沿转轴并与角速度的方向相同，故可写成矢量式定沿转轴并与角速度的方向相同，故可写成矢量式1.与质点动量表达式对比与质点动量表达式对比2第2页，共75页，编辑于2022年，星
2、期五二、刚体对转轴的角动量定理二、刚体对转轴的角动量定理将转动定理将转动定理Mz=Ja a 写成下面的形式写成下面的形式:实验表明实验表明,此式更具普遍性。此式更具普遍性。由上式得到由上式得到 刚体对转轴的角动量定理刚体对转轴的角动量定理 作定轴转动的刚体对转作定轴转动的刚体对转轴的角动量的时间变化率，等于刚体相对于同一转轴所轴的角动量的时间变化率，等于刚体相对于同一转轴所受外力的合力矩。受外力的合力矩。3第3页，共75页，编辑于2022年，星期五角动量定理也角动量定理也可以写为可以写为 Mz dt 称为称为冲量矩冲量矩,等于力矩与力矩作用于刚体的等于力矩与力矩作用于刚体的时间的乘积。时间的乘
3、积。对上式积分得到角动量定理的对上式积分得到角动量定理的积分形式积分形式该式表示：角动量的增量等于力矩对定轴转动刚体的时该式表示：角动量的增量等于力矩对定轴转动刚体的时间累积效应间累积效应4第4页，共75页，编辑于2022年，星期五 刚体对转轴的角动量守恒定律刚体对转轴的角动量守恒定律 当定轴转动的当定轴转动的刚体所受外力对转轴的合力矩为零时刚体所受外力对转轴的合力矩为零时,刚体对同一刚体对同一转轴的角动量不随时间变化。转轴的角动量不随时间变化。刚体组绕同一转轴作定轴转动时刚体组绕同一转轴作定轴转动时,系统对转轴的角动量保系统对转轴的角动量保持恒定，有两种情形：持恒定，有两种情形：一是系统的转
4、动惯量和角速度的大小均一是系统的转动惯量和角速度的大小均保持不变；保持不变；另一种是转动惯量改变另一种是转动惯量改变,角速度的大小也同时改角速度的大小也同时改变但两者的乘积保持不变变但两者的乘积保持不变。恒量恒量如果如果Mz=0,则则三、刚体对转轴的角动量守恒定律三、刚体对转轴的角动量守恒定律5第5页，共75页，编辑于2022年，星期五注意：注意：1.该定律的应用条件是该定律的应用条件是:刚体或刚体组必须满刚体或刚体组必须满足所受外力的合力矩为零；足所受外力的合力矩为零；2.角动量、转动惯量和角速度必须相对同一轴；角动量、转动惯量和角速度必须相对同一轴；3.若将该定律应用于刚体组，刚体组中各个
5、刚若将该定律应用于刚体组，刚体组中各个刚体之间可以发生相对运动，但是它们必须是体之间可以发生相对运动，但是它们必须是相对于同一转轴在转动相对于同一转轴在转动.6第6页，共75页，编辑于2022年，星期五刚体对转轴的角动量守恒是经常可以见到的刚体对转轴的角动量守恒是经常可以见到的，如人如人手持哑铃的转动手持哑铃的转动,芭蕾舞演员和花样滑冰运动员作各芭蕾舞演员和花样滑冰运动员作各种快速旋转动作种快速旋转动作,都是利用了对转轴的角动量守恒定律。都是利用了对转轴的角动量守恒定律。7第7页，共75页，编辑于2022年，星期五花样滑冰中常见的例子花样滑冰中常见的例子花 样 滑 冰收臂大小张臂大小先使自己转
6、动起来收臂大小8第8页，共75页，编辑于2022年，星期五万向支架受合外力矩为零回转体质量呈轴对称分布；轴摩擦及空气阻力很小。角动量守恒恒矢量恒矢量回转仪定向原理回转仪定向原理其中转动惯量为常量若将回转体转轴指向任一方向使其以角速度 高速旋转则转轴将保持该方向不变而不会受基座改向的影响基 座回转体（转动惯量 ）9第9页，共75页，编辑于2022年，星期五例例1:一根长为一根长为l、质量为、质量为m的均匀细直棒，一端有的均匀细直棒，一端有一固定的光滑水平轴，可以在竖直平面内转动。最一固定的光滑水平轴，可以在竖直平面内转动。最初棒静止在水平位置，初棒静止在水平位置，求由此下摆求由此下摆 角时的角加
7、速角时的角加速度和角速度度和角速度。解解:棒下摆为加速过程，棒下摆为加速过程，外力矩为重力对外力矩为重力对O的力矩。的力矩。重力作用在棒的重心重力作用在棒的重心,当当棒处在下摆棒处在下摆 角时角时，重力重力矩为：矩为：l/2xO）P10第10页，共75页，编辑于2022年，星期五棒处于棒处于角时的角加速度为：角时的角加速度为：由角加速度的定义由角加速度的定义重力对整个棒的合力矩与全部重力集中作用在质重力对整个棒的合力矩与全部重力集中作用在质心所产生的力矩一样。因为心所产生的力矩一样。因为棒绕轴棒绕轴O的转动惯量的转动惯量为：为：l/2xO）P11第11页，共75页，编辑于2022年，星期五作如
8、下变换作如下变换将上式两边积分将上式两边积分角速度为角速度为12第12页，共75页，编辑于2022年，星期五例题例题2一个质量为一个质量为100kg的圆盘状平台，以的圆盘状平台，以1.05rads-1的角速的角速度绕通过中心的竖直轴自由旋转，在平台的边缘站着一个质度绕通过中心的竖直轴自由旋转，在平台的边缘站着一个质量为量为60kg的人。问当人从平台边缘走到盘的中心时，平台的人。问当人从平台边缘走到盘的中心时，平台的转速是多少？的转速是多少？当人站在平台的边缘时，刚体组的转动惯量为：当人站在平台的边缘时，刚体组的转动惯量为：解：解：因为带人的平台是自由转动的，即不受外力矩的因为带人的平台是自由转
9、动的，即不受外力矩的作用。若作用。若把人和平台看成一个系统把人和平台看成一个系统，应满足角动量守恒定，应满足角动量守恒定律，则律，则13第13页，共75页，编辑于2022年，星期五当人站在平台中心时，刚体组的转动惯量等于当人站在平台中心时，刚体组的转动惯量等于平台本身的转动惯量，即平台本身的转动惯量，即将将J1和和J2代入角动量守恒定律代入角动量守恒定律14第14页，共75页，编辑于2022年，星期五公式对比质点质点直线直线运动或刚体平动运动或刚体平动 刚体的刚体的定轴定轴转动转动速度速度角速度角速度加速度加速度角加速度角加速度位移位移角位移角位移匀速直线运动匀速直线运动匀角速定轴转动匀角速定
10、轴转动匀变速直线运动匀变速直线运动匀变角速定轴转动匀变角速定轴转动15第15页，共75页，编辑于2022年，星期五刚体的平动刚体的平动刚体的转动刚体的转动转动定理转动定理转动动能转动动能动能动能牛顿定律牛顿定律功功力矩的功力矩的功动能定理动能定理转动动能定理转动动能定理16第16页，共75页，编辑于2022年，星期五刚体的平动刚体的平动刚体的转动刚体的转动冲量冲量冲量矩冲量矩Mz dt动量定理动量定理角动量定理角动量定理动量守恒定理动量守恒定理角动量守恒定律角动量守恒定律恒量恒量机械能守恒定律机械能守恒定律机械能守恒定律机械能守恒定律17第17页，共75页，编辑于2022年，星期五一、固体在外
11、力作用下的一般情形一、固体在外力作用下的一般情形 形变形变 固体受外力作用所发生的形状变化，分为固体受外力作用所发生的形状变化，分为弹弹性形变性形变和和塑性形变塑性形变。应力应力固体横截面单位面积固体横截面单位面积上内力的改变量。应力是固体上内力的改变量。应力是固体在单位横截面上产生的弹性力。在单位横截面上产生的弹性力。应变应变固体在外力作用下所固体在外力作用下所发生的相对形变量。发生的相对形变量。固体受力作用而被拉伸的整固体受力作用而被拉伸的整个过程如图所示。个过程如图所示。BCEPPEBo o5-4固体的形变和弹性固体的形变和弹性18第18页，共75页，编辑于2022年，星期五曲线曲线OP
12、为直线，应力为直线，应力 与应与应变变 成正比，点成正比，点P的应力是满足的应力是满足比例关系的最大应力，称比例关系的最大应力，称比例比例极限极限（P）。点）。点E的应力的应力 E是是发生弹性形变的最大应力，称发生弹性形变的最大应力，称弹性极限弹性极限。当应力。当应力 E时，发时，发生塑性形变。生塑性形变。点点C 对应的应力为对应的应力为 C，若，若把外力撤除，固体的应力与把外力撤除，固体的应力与应变的关系沿应变的关系沿O C变化，留下一定的剩余形变变化，留下一定的剩余形变OO。当应力达到点当应力达到点B 对应的应力对应的应力 B时，固体就断裂，时，固体就断裂，B称称强度极限强度极限。BCEP
13、PEBo o19第19页，共75页，编辑于2022年，星期五 有些固体的弹性极限与强度极限十分接近，因有些固体的弹性极限与强度极限十分接近，因而塑性形变很小，称为而塑性形变很小，称为脆体脆体；有些固体的弹性极；有些固体的弹性极限与强度极限相距较远，可以产生很大的塑性形限与强度极限相距较远，可以产生很大的塑性形变，称为变，称为可塑体可塑体。实验发现，固体发生塑性形变后的硬度增大了，实验发现，固体发生塑性形变后的硬度增大了，若再要使它发生塑性形变，需要的外力比先前要若再要使它发生塑性形变，需要的外力比先前要大。称为大。称为加工硬化加工硬化。二、固体的弹性形变二、固体的弹性形变(Elastic de
14、formation)弹性形变有多种，最简单的是长变和剪切。弹性形变有多种，最简单的是长变和剪切。长变长变固体在外力作用下沿纵向拉伸或压缩。固体在外力作用下沿纵向拉伸或压缩。20第20页，共75页，编辑于2022年，星期五设有一均匀棒，如图所示。设有一均匀棒，如图所示。拉力规定为正力，形变拉力规定为正力，形变 L也也是正的，固体被拉伸，如图是正的，固体被拉伸，如图(a)。压力规定为负力，形变压力规定为负力，形变 L也也是负的，固体被压缩，如图是负的，固体被压缩，如图(b)。在长变的情况下，固体的拉在长变的情况下，固体的拉伸应变伸应变 n为为固体受到力固体受到力Fn发生长变，在任一横截面上出现的发
15、生长变，在任一横截面上出现的应力应力 n为为LL+LFnFn(a)L+LFnFn(b)21第21页，共75页，编辑于2022年，星期五根据胡克定律，在比例极限内，根据胡克定律，在比例极限内，n与与 n间存在间存在线性关系线性关系 n=Y n 比例系数比例系数Y 称为材料的称为材料的长变弹性模量长变弹性模量，或，或杨氏模杨氏模量量，它决定于固体材料自身的性质。，它决定于固体材料自身的性质。剪切剪切当固体受到大小当固体受到大小相等、方向相反、相距很相等、方向相反、相距很近的两个平行力作用时，近的两个平行力作用时，在两力间的固体各横截面在两力间的固体各横截面将沿外力方向发生相对错将沿外力方向发生相对
16、错动。物体错动的角度称为动。物体错动的角度称为剪切角剪切角，如图所示。，如图所示。FtFt）ABSABCD22第22页，共75页，编辑于2022年，星期五固体的固体的剪应变剪应变 t为为当当 很小时，近似有很小时，近似有 t=根据胡克定律，应有根据胡克定律，应有 t=G t 比例系数比例系数G称为固体材料的称为固体材料的剪切模量剪切模量，简称，简称剪模量剪模量。若横截面的面积为若横截面的面积为S，则剪应力，则剪应力由于外力由于外力 与作用面是平行的，故固体横截面上与作用面是平行的，故固体横截面上产生的应力都与该截面相切，因而称为产生的应力都与该截面相切，因而称为剪应力剪应力，如，如图所示。图所
17、示。）ttFtFtS23第23页，共75页，编辑于2022年，星期五5-1刚体的运动刚体的运动小小结结刚体刚体:在任何情况下在任何情况下,其大小和形状都不变化的物体。或者说物其大小和形状都不变化的物体。或者说物体上任意两点的相对位置保持不变。体上任意两点的相对位置保持不变。平动平动在刚体运动过程中在刚体运动过程中,如果刚体上的任意一条直线始终保如果刚体上的任意一条直线始终保持平行持平行,这种运动就称为平动这种运动就称为平动转动转动在刚体运动过程中在刚体运动过程中,如果刚体上所有的点都绕同一条直如果刚体上所有的点都绕同一条直线作圆周运动线作圆周运动,那么这种运动就称为转动。这条直线称为转轴那么这
18、种运动就称为转动。这条直线称为转轴刚体的一般运动刚体的一般运动 质心的平动质心的平动绕质心的转动绕质心的转动+24第24页，共75页，编辑于2022年，星期五1.刚体的转动动能刚体的转动动能其中，其中，2.刚体的转动惯量刚体的转动惯量 与转动惯量有关的因素：与转动惯量有关的因素：刚体的质量大小和分刚体的质量大小和分布、转轴的位置、刚体的形状。布、转轴的位置、刚体的形状。3.平行轴定理平行轴定理4.垂直轴定理垂直轴定理5-2刚体动力学刚体动力学25第25页，共75页，编辑于2022年，星期五5.转动定理转动定理6.力矩作的功力矩作的功7.动能定理动能定理26第26页，共75页，编辑于2022年，
19、星期五刚体对转轴的角动量刚体对转轴的角动量 刚体对转轴的角动量定理刚体对转轴的角动量定理27第27页，共75页，编辑于2022年，星期五刚体对转轴的角动量守恒定律刚体对转轴的角动量守恒定律或或恒量恒量在定轴转动中在定轴转动中,如果如果Mz=0,则则28第28页，共75页，编辑于2022年，星期五第六章第六章流体力学流体力学一一.物体物体六六态：态：固体、液体、气体、等离子体、固体、液体、气体、等离子体、玻玻色色-爱因斯坦凝聚态爱因斯坦凝聚态、费米子凝聚态费米子凝聚态等离子体等离子体：由离子、电子、中性粒子等组成的气体。：由离子、电子、中性粒子等组成的气体。例如例如：火焰电弧的高温部分，太阳和其
20、他星体表面：火焰电弧的高温部分，太阳和其他星体表面气层。气层。1995年，美国标准技术研究院和美国科罗拉多大学的年，美国标准技术研究院和美国科罗拉多大学的科学家组成的联合研究小组，首次创造出物质的第五态，科学家组成的联合研究小组，首次创造出物质的第五态，即即“玻色玻色爱因斯坦凝聚态爱因斯坦凝聚态”。为此，。为此，2001年度诺贝尔年度诺贝尔物理学奖授予了负责这项研究的三位科学家。物理学奖授予了负责这项研究的三位科学家。29第29页，共75页，编辑于2022年，星期五玻色玻色爱因斯坦凝聚爱因斯坦凝聚:是科学巨匠爱因斯坦在是科学巨匠爱因斯坦在70年前预年前预言的一种新物态。这里的言的一种新物态。这
21、里的“凝聚凝聚”与日常生活中的凝聚不与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状态的原子突然同，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚凝聚”到同一状态。到同一状态。玻色玻色爱因斯坦凝聚态物质由成千上万个具有单一量子爱因斯坦凝聚态物质由成千上万个具有单一量子态的超冷粒子的集合，其行为像一个超级大原子，由态的超冷粒子的集合，其行为像一个超级大原子，由玻玻色子色子构成。构成。费米子凝聚态费米子凝聚态:由于没有任何两个费米子能拥有相同的由于没有任何两个费米子能拥有相同的量子态，费米子的凝聚一直被认为不可能实现。量子态，费米子的凝聚一直被认为不可能实现。2004年，年，物理学家找到了一个克服以上障碍的方法，他们
22、将费米物理学家找到了一个克服以上障碍的方法，他们将费米子成对转变成玻色子。费米子对起到了玻色子的作用，子成对转变成玻色子。费米子对起到了玻色子的作用，所以可让气体突然冷凝至玻色所以可让气体突然冷凝至玻色爱因斯坦凝聚态。爱因斯坦凝聚态。30第30页，共75页，编辑于2022年，星期五粒子按其在高密度或低温度时集体行为的不同可以分成两大粒子按其在高密度或低温度时集体行为的不同可以分成两大类：类：一类是费米子一类是费米子，得名于意大利物理学家费米，得名于意大利物理学家费米，另一类是另一类是玻色子玻色子，得名于印度物理学家玻色。区分这两类粒子的重，得名于印度物理学家玻色。区分这两类粒子的重要特征是自旋
23、。自旋是粒子的一种与其角动量相联系的要特征是自旋。自旋是粒子的一种与其角动量相联系的固有性质。量子力学所揭示的一个重要之处是，自旋是固有性质。量子力学所揭示的一个重要之处是，自旋是量子化的，这就是说量子化的，这就是说，它只能取普朗克常数的整数倍（玻色，它只能取普朗克常数的整数倍（玻色子，如光子、介子等）或半整数倍（费米子，如电子、质子等）子，如光子、介子等）或半整数倍（费米子，如电子、质子等）。31第31页，共75页，编辑于2022年，星期五超导体：超导体：在低温时不存在电阻。如在低温时不存在电阻。如In,Sn,Al,Pb,Nb,等等金属及其合金。金属及其合金。1911年，昂内斯发现年，昂内斯
24、发现Hg在在4.2K时电阻时电阻完全消失。完全消失。超流态：超流态：是某些物质的超低温特性，例如超流体和超导是某些物质的超低温特性，例如超流体和超导体体超流体：超流体：不存在粘滞现象，能流过不存在粘滞现象，能流过10-5cm的毛细血的毛细血管，能在固体表面扩展成几十个原子厚的薄膜（液管，能在固体表面扩展成几十个原子厚的薄膜（液氦在氦在2.19K时为超流体）时为超流体）32第32页，共75页，编辑于2022年，星期五二二.流体流体：可以流动的物质（气体和液体）：可以流动的物质（气体和液体）三三.流体的特性流体的特性1.流动性流动性：流体物质的各部分之间发生相对运动：流体物质的各部分之间发生相对运
25、动2.粘滞性粘滞性：流体各部分之间发生相对运动时，存在：流体各部分之间发生相对运动时，存在摩擦现象摩擦现象3.压缩性压缩性：流体体积随外部压力而变化的特性：流体体积随外部压力而变化的特性33第33页，共75页，编辑于2022年，星期五6-1流体的压强流体的压强一一静止流体内一点的压强静止流体内一点的压强1.压力：压力：流体内部相互作用力和流体对器壁的作用流体内部相互作用力和流体对器壁的作用力称为压力力称为压力压力的特点：压力的特点：1）流体内任意截面所受的压力与该截面垂直，否则将流体内任意截面所受的压力与该截面垂直，否则将有小部分沿截面流动；有小部分沿截面流动；2）流体内任意截面所受的流体内任
26、意截面所受的压力为零，否则流体不能静压力为零，否则流体不能静止；止；34第34页，共75页，编辑于2022年，星期五单位面积上所承受的沿法线方向的压力的大小。单位面积上所承受的沿法线方向的压力的大小。或或为压力，面元为压力，面元方向与点方向与点A的法向的法向 一致。一致。2.压强压强（Pressure）A注意：注意：1.压强是标量压强是标量,其其值与面元的选取无关；值与面元的选取无关；2.压强是位置的函数；压强是位置的函数；35第35页，共75页，编辑于2022年，星期五图中，图中，和和都通过点都通过点A，的法线为的法线为 ，的的法线为法线为 。两面所受压力大。两面所受压力大小和方向各不相同小
27、和方向各不相同,但压强但压强是相同的是相同的,都是点都是点A的压强。的压强。3.压强单位压强单位在在SI中为中为Pa(帕斯卡帕斯卡,简称帕简称帕)1Pa=1N m-2另外还有另外还有atm(标准大气压，简称大气压标准大气压，简称大气压)、bar(巴巴)、Torr(托托)和毫米汞柱（和毫米汞柱（mmHg）1bar=105Pa;1atm=101325Pa1mmHg=133.322Pa;1Torr=133.322PaA36第36页，共75页，编辑于2022年，星期五二二静止流体内的压强差静止流体内的压强差1.等高点的压强相等等高点的压强相等FAFBAB由于柱状物体沿轴向没有流由于柱状物体沿轴向没有流
28、动，根据牛顿定律知，它所受动，根据牛顿定律知，它所受合外力为零，即合外力为零，即或或说明：静止流体内同水平高度的各点的压强相等说明：静止流体内同水平高度的各点的压强相等37第37页，共75页，编辑于2022年，星期五2.两点高度差两点高度差h，其压强差为，其压强差为 ghyxdyyy+dyPAmg(P+dP)A体元所受重力：体元所受重力：由于体元是静止的，所由于体元是静止的，所以所受合外力为零，即以所受合外力为零，即化简为化简为此式表明：流体内各点的压强是随高度变化的。此式表明：流体内各点的压强是随高度变化的。38第38页，共75页，编辑于2022年，星期五流体内任意两点的压强差可通过对上式积
29、分求得：流体内任意两点的压强差可通过对上式积分求得：若若A、B两点的高度差为两点的高度差为h，则两点的压强差为：，则两点的压强差为：该式表明：两点高度差该式表明：两点高度差h，其压强差为，其压强差为 gh说明：说明：1）压强差与密度有关）压强差与密度有关;2)对于气体，密度对于气体，密度，因此可认为压，因此可认为压强处处相等，但对于大气层，当高度相差很大强处处相等，但对于大气层，当高度相差很大时时 和和g都是高度的函数，故都是高度的函数，故39第39页，共75页，编辑于2022年，星期五3.两个原理两个原理（1）帕斯卡）帕斯卡（Pascal）原理原理施加压强于密闭容器内的流体，此压强无变化地传
30、递施加压强于密闭容器内的流体，此压强无变化地传递到流体的各部分及器壁上。到流体的各部分及器壁上。（2）阿基米德）阿基米德（Archimedes）原理原理当一物体全部或部分地侵入流体中时，物当一物体全部或部分地侵入流体中时，物体所受的浮力等于它所排开流体的重量。体所受的浮力等于它所排开流体的重量。40第40页，共75页，编辑于2022年，星期五解：解：水坝外侧受大气压强的作用，而内侧也受大气压强水坝外侧受大气压强的作用，而内侧也受大气压强的作用（帕斯卡原理），故可以不考虑大气压强的作用。的作用（帕斯卡原理），故可以不考虑大气压强的作用。例题例题1图（图（a）和（）和（b）分别是水坝的侧视图和前）
31、分别是水坝的侧视图和前视图。设水深为视图。设水深为h，求水作用于大坝的水平合力和，求水作用于大坝的水平合力和该力对过该力对过O点轴的力矩。点轴的力矩。ahOlxydybhyo41第41页，共75页，编辑于2022年，星期五水中的压强随深度而变化，因此水水中的压强随深度而变化，因此水坝受水的作用力是不均匀的，是深度的坝受水的作用力是不均匀的，是深度的函数。函数。1.求力求力F:取水坝取水坝l长的一部分，受水作用的面积为长的一部分，受水作用的面积为S=lh，在其坐标为在其坐标为y处取处取dy深的一面积元深的一面积元ds=ldy,则作则作用在该面元上的力为：用在该面元上的力为：所以水作用于所以水作用
32、于lh面积的水坝上的水平作用力为：面积的水坝上的水平作用力为：lxydybhyo42第42页，共75页，编辑于2022年，星期五作用在单位长度面积上的水平力为作用在单位长度面积上的水平力为2.求力矩：求力矩：dF相对于过相对于过O点轴的力矩：点轴的力矩：43第43页，共75页，编辑于2022年，星期五对上式积分：对上式积分：44第44页，共75页，编辑于2022年，星期五一、关于理想流体的几个概念一、关于理想流体的几个概念(perfect fluid)1.理想流体理想流体实际液体和气体除具有共同的流动性外实际液体和气体除具有共同的流动性外,还在不还在不同程度上具有两种性质：同程度上具有两种性质
33、：可压缩性可压缩性和和黏性黏性。理想流体理想流体 绝对不可压缩和完全没有黏性的流体。绝对不可压缩和完全没有黏性的流体。2.定常流动定常流动 流体质点流经空间任一给定点的速度是确定流体质点流经空间任一给定点的速度是确定的，且不随时间变化，的，且不随时间变化，称为称为定常流动定常流动。例如例如,沿沿着管道或渠道缓慢流动的水流着管道或渠道缓慢流动的水流,在一段不长的时间在一段不长的时间内可以认为是定常流动。内可以认为是定常流动。6-2理想流体及其连续性方程理想流体及其连续性方程45第45页，共75页，编辑于2022年，星期五3.流线流线为了形象地描述流体的为了形象地描述流体的运动运动,在流体中画一系
34、列在流体中画一系列曲线曲线,每一点的切线方向每一点的切线方向与流经该点流体质点的速与流经该点流体质点的速度方向相同度方向相同,称为称为流线流线。定常流动中的流线定常流动中的流线不随时间变化；不随时间变化；质点的运动轨迹；质点的运动轨迹；任何两条流线不相交。任何两条流线不相交。4.流管流管流线围成的管状区域。流线围成的管状区域。流管内外的流体不能交换流管内外的流体不能交换流体在流管中的流动状况就流体在流管中的流动状况就是整个流体流动状况的缩影是整个流体流动状况的缩影46第46页，共75页，编辑于2022年，星期五二、理想流体的连续性方程二、理想流体的连续性方程(the equation of c
35、ontinuity )在细流管中在细流管中,流体流经截面流体流经截面S1和和S2的速率为的速率为v1和和v2,在在 t时间时间内流过这两个截面的流体体积内流过这两个截面的流体体积分别为分别为V1=S1 v1 t V2=S2 v2 t v1v2S1S2对于不可压缩流体对于不可压缩流体S1 v1=S2 v2 或或S v=恒量恒量 上式称为上式称为理想流体的连续性方程理想流体的连续性方程。1.连续性方程连续性方程47第47页，共75页，编辑于2022年，星期五 理想流体作定常流动时理想流体作定常流动时,速率与流管截面积的速率与流管截面积的乘积为恒量乘积为恒量,或者说速率与流管的截面积成反比。或者说速
36、率与流管的截面积成反比。注意：注意：1.选择流管时，不能过粗，否则横截面选择流管时，不能过粗，否则横截面S上各点的上各点的流速就不一定相等；流速就不一定相等；2.该方程适应于任何不可压缩流体；该方程适应于任何不可压缩流体；3.由连续性方程可以断定，在流速大的地方，流管狭由连续性方程可以断定，在流速大的地方，流管狭窄，流线必定密集；在流速小的地方，流管粗大，窄，流线必定密集；在流速小的地方，流管粗大，流线必定疏散。流线必定疏散。S v=恒量恒量48第48页，共75页，编辑于2022年，星期五2.质量守恒定律质量守恒定律在连续性方程两边同乘以流体密度在连续性方程两边同乘以流体密度,即即 S v=恒
37、量恒量对于可压缩的流体，连续性方程不一定正确，但质量对于可压缩的流体，连续性方程不一定正确，但质量守恒仍然成立，因此上式是守恒仍然成立，因此上式是一般流体的连续性方程一般流体的连续性方程。该式说明在同一时间内流入某段流管的流体的该式说明在同一时间内流入某段流管的流体的质量与流出的相同。质量与流出的相同。由于密度由于密度 是一个随流动而变化的量，上面根据流线的是一个随流动而变化的量，上面根据流线的疏密反映流速的大小也就不再正确。例如，疏密反映流速的大小也就不再正确。例如，超音速气流超音速气流49第49页，共75页，编辑于2022年，星期五如果在某一管道的横截面上各点的流速都相等如果在某一管道的横
38、截面上各点的流速都相等,流量可以表示为流量可以表示为 QV=S v 3.流量（体积流量）流量（体积流量）单位时间内流过某一截面的流体体积。单位时间内流过某一截面的流体体积。流过截面流过截面S1和和S2的流量为的流量为v1v2S1S250第50页，共75页，编辑于2022年，星期五如果截面上各点流速不相等如果截面上各点流速不相等,通过面元通过面元dS的流量为的流量为dQV=v dS 通过整个截面的流量通过整个截面的流量引入引入平均流速平均流速的概念：的概念：上式在处理具体问题时经常采用。上式在处理具体问题时经常采用。51第51页，共75页，编辑于2022年，星期五6-3伯努利伯努利(Bernou
39、lli)方程方程伯努利伯努利:1700年年2月月8日生于荷兰格罗宁根；日生于荷兰格罗宁根；1782年年3月月17日卒于瑞士巴塞尔数学、物理日卒于瑞士巴塞尔数学、物理学、医学家学、医学家1715年获得学士学位，年获得学士学位，1716年年获得艺术硕士学位获得艺术硕士学位1721年通过论文答辩，获得年通过论文答辩，获得医学博士学位医学博士学位丹尼尔的学术著作非常丰富，他的全部数学和力学著作、论文丹尼尔的学术著作非常丰富，他的全部数学和力学著作、论文超过超过80种种1738年他出版了一生中最重要的著作年他出版了一生中最重要的著作流体动力学流体动力学.(17251757年的年的30多年间他曾因天文学多
40、年间他曾因天文学(1734)、地球引力、地球引力(1728)、潮汐、潮汐(1740)、磁学、磁学(1743，1746)洋流洋流(1748)、船体航行的稳定、船体航行的稳定(1753，1757)和振动理论和振动理论(1747)等成果，获得了巴黎科学院的等成果，获得了巴黎科学院的10次以上的奖赏特次以上的奖赏特别是别是1734年，他与父亲约翰以年，他与父亲约翰以“行星轨道与太阳赤道不同交角的原因行星轨道与太阳赤道不同交角的原因”的的佳作，获得了巴黎科学院的双倍奖金佳作，获得了巴黎科学院的双倍奖金52第52页，共75页，编辑于2022年，星期五丹尼尔获奖的次数可以和著名的数学家欧拉相比，因而受丹尼尔
41、获奖的次数可以和著名的数学家欧拉相比，因而受到了欧洲学者们的爱戴，到了欧洲学者们的爱戴，1747年他成为柏林科学院成员，年他成为柏林科学院成员，1748年年成为巴黎科学院成员，成为巴黎科学院成员，1750年被选为英国皇家学会会员年被选为英国皇家学会会员.在科学史上，父子科学家、兄弟科学家并不鲜见，然而，在一个家在科学史上，父子科学家、兄弟科学家并不鲜见，然而，在一个家族跨世纪的几代人中，众多父子兄弟都是科学家的较为罕见，其中，瑞族跨世纪的几代人中，众多父子兄弟都是科学家的较为罕见，其中，瑞士的伯努利家族最为突出。伯努利家族士的伯努利家族最为突出。伯努利家族3代人中产生了代人中产生了8位科学家，
42、出位科学家，出类拔萃的至少有类拔萃的至少有3位；而在他们一代又一代的众多子孙中，至少有一半位；而在他们一代又一代的众多子孙中，至少有一半相继成为杰出人物。伯努利家族的后裔有不少于相继成为杰出人物。伯努利家族的后裔有不少于120位被人们系统地追位被人们系统地追溯过，他们在数学、科学、技术、工程乃至法律、管理、文学、艺术等溯过，他们在数学、科学、技术、工程乃至法律、管理、文学、艺术等方面享有名望，有的甚至声名显赫。最不可思议的是这个家族中有两代方面享有名望，有的甚至声名显赫。最不可思议的是这个家族中有两代人，他们中的大多数数学家，并非有意选择数学为职业，然而却忘情地人，他们中的大多数数学家，并非有
43、意选择数学为职业，然而却忘情地沉溺于数学之中，有人调侃他们就像酒鬼碰到了烈酒。沉溺于数学之中，有人调侃他们就像酒鬼碰到了烈酒。53第53页，共75页，编辑于2022年，星期五伯努利伯努利(Bernoulli)方程方程在重力场中作定常流动的理想流体在重力场中作定常流动的理想流体内任取一细流管内任取一细流管,S1和和S2表示两个横表示两个横截面的面积截面的面积,h1和和h2是它们相对同一是它们相对同一个水平参考面的高度。个水平参考面的高度。由于理想流体是不可压缩的由于理想流体是不可压缩的,从从S1到到S1之间的流体质量等于从之间的流体质量等于从S2到到S2之间的质量之间的质量 m。整个流体块从位置
44、整个流体块从位置S1-S2流到位置流到位置S1-S2的过程的过程中，机械能的增量中，机械能的增量 E为为v1v2S1S2S1S2h2h154第54页，共75页，编辑于2022年，星期五机械能增量机械能增量如果作用于如果作用于S1上的压力为上的压力为f1,在在 t 内内S1移过距离移过距离v1 t 到达到达S1，则，则f1作的功为作的功为 A1=p1 S1v1t v1v2S1S2S1S2h2h155第55页，共75页，编辑于2022年，星期五对于截面对于截面S2，f2对流体块所作的功对流体块所作的功A2=p2 S2v2t 根据根据S1v1=S2v2,并且并且得得周围流体的压力对流体块作的总功为周
45、围流体的压力对流体块作的总功为根据功能原理根据功能原理 E=A 56第56页，共75页，编辑于2022年，星期五即即整理可得整理可得去掉角标去掉角标,对于同一条细流管中的任一截面对于同一条细流管中的任一截面,下下面的关系总是成立的面的关系总是成立的恒量恒量上面两式都称为伯努利方程上面两式都称为伯努利方程,它们描述了理想流它们描述了理想流体作定常流动时的基本规律。体作定常流动时的基本规律。57第57页，共75页，编辑于2022年，星期五讨论：讨论：恒量恒量1.若水平流动，若水平流动，,则有则有恒量恒量说明：水平流动的流管中，压强大的地方流速小；说明：水平流动的流管中，压强大的地方流速小；压强小的
46、地方流速大。压强小的地方流速大。2.由连续方程，由连续方程，知，管细的地方流速知，管细的地方流速大，管粗的地方流速小。大，管粗的地方流速小。58第58页，共75页，编辑于2022年，星期五空吸现象空吸现象推论：细管处（流速大）压强小推论：细管处（流速大）压强小粗管处（流速小）压强大粗管处（流速小）压强大3.当两处流速相同时，即当两处流速相同时，即说明：高度低的地方压强大，高度高的地方压强说明：高度低的地方压强大，高度高的地方压强小，这与流体静力学中的结果一致。小，这与流体静力学中的结果一致。4.当当V0时，流体静止时，流体静止或者或者59第59页，共75页，编辑于2022年，星期五注意：注意：
47、理想流体在重力的作用下作定常流动时才成立；理想流体在重力的作用下作定常流动时才成立；该方程也只适用于对惯性系中的流动的描述，若该方程也只适用于对惯性系中的流动的描述，若在非惯性系中，同样要附加惯性力。在非惯性系中，同样要附加惯性力。如果如果A、B两点的高度相等两点的高度相等,则由上式得则由上式得 pA=pB 这表明这表明,静止流体中同高度两点的压强相等静止流体中同高度两点的压强相等。60第60页，共75页，编辑于2022年，星期五hABQo它由两个同轴细管组成它由两个同轴细管组成,内管的开口在正前方。外内管的开口在正前方。外管的开口在管壁上管的开口在管壁上,如图中如图中B所示。两管分别与所示。
48、两管分别与U型管的两型管的两臂相连臂相连,在在U型管中盛有液体型管中盛有液体(如水银如水银),构成了一个压构成了一个压强计强计,由由U型管两臂的液面高度差型管两臂的液面高度差h确定气体的流速。确定气体的流速。例例1 1：皮托管是测定流体流：皮托管是测定流体流速的仪器速的仪器,常用来测定气体的常用来测定气体的流速。流速。61第61页，共75页，编辑于2022年，星期五解解：在：在A 处气流速率为零处气流速率为零,在流在流线线OA上运用伯努利方程上运用伯努利方程,得到得到对于流线对于流线QB点点O和点和点Q非常接近非常接近,可认为各量相等。又因皮托可认为各量相等。又因皮托管一般都很细管一般都很细,
49、点点A与点与点B的高度相差很小的高度相差很小,hA=hB。考虑到这些条件考虑到这些条件,得得vB是待测气流的流速。是待测气流的流速。hABQo62第62页，共75页，编辑于2022年，星期五如果压强计中液体的密度为如果压强计中液体的密度为 ,则则比较上面两式得比较上面两式得所以所以这样，就可以由压强计两液面的高度差这样，就可以由压强计两液面的高度差h,计算计算出待测气流速率。出待测气流速率。hABQo63第63页，共75页，编辑于2022年，星期五例例2：求水从容器求水从容器壁小孔中流出时的速率。壁小孔中流出时的速率。AB解：解：在液面和小孔处取任意在液面和小孔处取任意流线流线AB，在这条流线
50、上运用伯，在这条流线上运用伯努利方程，得：努利方程，得：A点：点：B点：点：取小孔处的高度为零，则取小孔处的高度为零，则hA=h64第64页，共75页，编辑于2022年，星期五可见可见,小孔处水的流速，与物体从小孔处水的流速，与物体从h处自由下处自由下落到小孔处的速率是相同的。落到小孔处的速率是相同的。65第65页，共75页，编辑于2022年，星期五z例题例题3一倒立圆锥形容器，高为一倒立圆锥形容器，高为h，底面半径为，底面半径为R，装满水（理想流体）。锥顶有一小孔，面积为，装满水（理想流体）。锥顶有一小孔，面积为s,试求：水面降到试求：水面降到h/3时，所需要的时间？时，所需要的时间？hRs