Venturi-ilmiö: nopeus ylös, paine alas
1 · Ennusta
Vesi virtaa putken läpi, joka kapenee osan matkasta, kuten puutarhaletku, jonkan päälle painat peukalolla. Mitä veden paineelle tapahtuu kapeassa osassa?
- Paine kasvaa kapeassa osassa, koska vesi on tiiviimmin puristettuna.
- Paine laskee kapeassa osassa, koska vesi nopeutuu.
- Paine pysyy samana koko matkan – vain nopeus muuttuu.
2 · Kokoa
- Avaa fluid-venturi-esiasetus ja paina Nollaa. Vesi virtaa tasaisesti putken läpi, jossa on leveä osa (A₁) ja kapea kurkku (A₂).
- Ota käyttöön kurkkunosuuden ja paineenlaskun lukemat.
- Aseta leveän osan pinta-ala, kurkun pinta-ala ja sisääntulonopeus jokaiselle suoritukselle ja kirjaa kurkkunosuuden ja paineenlaskun lukemat.
3 · Kerää data
| Leveän osan pinta-ala A₁ (m²) | Kurkun pinta-ala A₂ (m²) | Sisääntulonopeus v₁ (m/s) | Nopeus kurkussa v₂ (m/s) | Paineen muutos ΔP = P₂ − P₁ (kPa) |
|---|---|---|---|---|
| 4.00e-4 | 1.00e-4 | 2.00 | ||
| 4.00e-4 | 1.00e-4 | 3.00 | ||
| 4.00e-4 | 2.00e-4 | 4.00 |
Kuvaa paineen muutos ΔP (y-akseli) kurkkunosuutta v₂ vasten (x-akseli) kolmelle suorituksellesi.
4 · Analysoi
- Yhdelle suoritukselle laske v₂ = A₁v₁/A₂ jatkuvuudesta, sitten ΔP = P₂ − P₁ = ½ρ(v₁² − v₂²) Bernoullin yhtälöstä. Vertaa molempia lukemiin – ΔP on negatiivinen, mikä on se, miltä ”paine laski kurkussa” näyttää etumerkillisenä lukuna.
- Selitä energian säilymisen termeillä, miksi fluidin paineen on pudottava siellä, missä sen nopeus kasvaa vaakasuorassa putkessa.
5 · Laajenna
- Kaasuttimet ja hajustesuihkuttimet käyttävät Venturi-ilmiötä toisen fluidin imemiseen kapeassa kurkussa. Käyttäen paineenmuutos-dataasi selitä, miksi matalan paineen alue siellä voi vetää nestettä ylöspäin sivuputken läpi.
- Siipivirtauskoe käyttää samaa jatkuvuus + Bernoulli -mallia ilmalla veden sijaan. Odotatko paine-eron olevan suurempi vai pienempi samalla nopeudella ja pinta-alalla? Miksi?
Tämän kokeen fysiikka
Jatkuvuusyhtälö
Puristumattomalle fluidille putkessa virtaama (pinta-ala × nopeus) on oltava sama kaikkialla putkea pitkin: A₁v₁ = A₂v₂. Putken kapeneminen pakottaa fluidin nopeutumaan.
Bernoullin yhtälö
Vaakasuoraa virtaviivaa pitkin fluidin paine plus sen liike-energia per tilavuus pysyy vakiointa: P₁ + ½ρv₁² = P₂ + ½ρv₂². Siellä, missä nopeus kasvaa, paineen on laskettava korvatakseen.