伯努利原理
流动的流体会用压强换取速度:流速越快的地方,流体向侧面推挤的力就越小,压强也就越低。这就是为什么掠过弯曲机翼上方的气流,或挤过狭窄管道的水流,其压强会比周围流速较慢的流体更低。
公式
P + ½ · ρ · v² = 常数
- P — 压强 (Pa): 流体作用在单位面积上的推力
- ρ — 密度 (kg/m³): 流体每立方米所包含的质量大小
- v — 流速 (m/s): 流体在该点的流动快慢
解题示例
密度为1000千克每立方米的水,在宽管道中以2米每秒的速度流动,随后在狭窄段加速到4米每秒。压强下降了多少?
- ρ = 1000 kg/m³
- v₁ = 2 m/s
- v₂ = 4 m/s
- ΔP = ½ · ρ · (v₂² − v₁²)
- ΔP = ½ · 1000 kg/m³ · (16 − 4) m²/s²
ΔP = 6000 Pa
自我检测
水从宽管道流入狭窄段,流速因此增大。狭窄段中它的压强会发生什么变化?
- 增大
- 正确答案: 减小
- 保持不变
回答正确!流速越快,压强越低——这正是伯努利原理的体现。
同样是密度为1000千克每立方米的水,这次在宽管道中的流速为1米每秒,但现在它在狭窄段加速到3米每秒。压强下降了多少?
- 正确答案: 4000 Pa
- 8000 Pa
- 1000 Pa
完全正确——ΔP = ½ · 1000 · (9 − 1) = ½ · 1000 · 8 = 4000 Pa。
在哪里能看到
飞机机翼是最经典的案例:流过弯曲上表面的空气比机翼下方的空气流动得更快,按照这条原理,那里的压强会下降,于是机翼从下方受到的向上推力比从上方受到的向下压力大。同样的“流速快、压强低”的搭配,还会在放水时把淋浴帘往内侧拉,也会在你向两张纸中间吹气时把两张纸吸到一起。
常见误区
条件反射式的错误是把原理弄反:狭窄段里的流体流得更快,那它在那儿肯定推得更猛吧——实际上流速更快意味着压强更低,因为这份速度是拿压强换来的。代数上也要当心:压强的下降量取决于速度平方之差 v₂² − v₁²——先把每个速度平方,再相减。对于 2 和 4 m/s 的两个速度,平方差是 16 − 4 = 12,而不是 (4 − 2)² = 4。
关联知识
这就是能量守恒在流动流体上的应用:½ · ρ · v² 这一项是单位体积的动能,而压强是流体储存的推挤能力,两者沿一条流线来回交换,总和却保持不变。它为整个流体单元收尾——静止时的压强、被传递的压强、作为浮力的压强,最后是被拿去换速度的压强。