Mechanika kvapalin Struktura a vlastnosti kvapalin

VLASTNOSTI KVAPALÍN

Kvapaliny sú zložené z častíc, ktoré kmitajú okolo svojich rovnovážnych polôh. To trvá až dovtedy kým molekula nezíska vplyvom náhodných zrážok energiu, ktorú potrebuje aby sa dostala zo silového poľa okolitých častíc a našla si novú rovnovážnu polohu.

Okolo každej molekuly možno opísať teoretickú guľu s polomerom(r) tak, že silové polia okolitých molekúl ju neovplyvnia. Takáto teoretická guľa sa nazýva sféra pôsobenia. Vrstva molekúl(molekuly tekutiny ale aj plynu nad ňou) ktorých vzdialenosť od voľného povrchu je menšia ako polomer sféry molekulového pôsobenia vytvára povrchovú vrstvu kvapalín. Molekuly v povrchovej vrstve majú väčšiu potenciálnu energiu ako molekuly pod hladinou. Z toho vyplýva, že aj povrchová vrstva má energiu, ktorá sa nazýva povrchová energia.

Ak sa zmení povrch kvapaliny daného objemu o hodnotu , zmení sa povrchová energia o hodnotu



Veličina s sa nazýva povrchové napätie a je závislé na druhu kvapaliny a na prostredí nad voľným povrchom kvapaliny. Kvapalina daného objemu má snahu nadobúdať taký tvar, aby jej povrch bol čo najmenší a taktiež aj povrchová energia a preto nadobúda kvapalina tvar gule.

Povrchové napätie:





HYDROSTATIKA

Je to veda skúmajúca podmienky rovnováhy kvapalín (ktoré neprúdia) a telies do nich ponorených.

Stav kvapaliny v istom mieste určuje tlak, pre ktorý platí



F je veľkosť sily pôsobiacej kolmo na rovinnú plochu s obsahom S

Tlak v ideálnej kvapaline je skalárna veličina. Tento poznatok vyjadril Pascal vo svojm zákone: Keď pôsobí vonkajšia sila na povrchrovnej plochy uzavretého objemu kvapaliny a žiadne iné sily na kvapalinu nepôsobia, vznikne v kvapaline tlak, ktorý je vo všetkých miestach kvapaliny rovnaký.

Ak však touto silou je tiažová, potom vyvoláva tzv. hydrostatický tlak, pre ktorý platí



kde h je hĺbka kvapaliny pod voľným povrchom, je hustota kvapaliny a g je gravitačné zrýchlenie. Plochy s rovnakým hydrostatickým tlakom sa nazývajú hladiny.



HYDRODYNAMIKA

sa zaoberá prúdiacou tekutinou. Podľa rýchlosti jej prúdenia rozoznávame ustálené prúdenie, kedy rýchlosť je konštantná a neustálené prúdenie, kedy sa rýchlosť mení s časom. Každý tok má svoje prúdnice, sú to myslené čiary, ktorých dotičnice ukazujú smer danej častice v danom okamžiku. Každý bod má svoju prúdnicu. Prúdnice sa nemôžu pretínať. Všetky prúdnice spolu v trubici tvoria plochu, ktorá sa volá prúdová trubica.

V každom telese poznáme hmotnostný tok, čo je objem krát hustota krát rýchlosť. Keďže nádoba nemôže meniť svoj tvar ani veľkosť, musí byť tento hmotnotnostný tok konštantný.

Rovnica kontinuity:




Každá tekutina má aj svoju tlakovú energiu. Je to energia, ktorá by mohla byť ako mech. práca vykonaná vďaka tlaku v kvapaline.

Ak máme trubicu s rôznymi prierezmi a pustíme cez ňu kvapalinu, zistíme, že v miestach, kde je prierez väčší, je tlak väčší a rýchlosť menšia ako v miestach, kde je prierez menší. Tento poznatok vyjadruje Bernulliho rovnica:







kde p je tlaková energia a druhá časť je kinetická energia. Poznatok, že zúženie trubica, vyvolá zníženie tlaku sa nazýva hydrodynamický paradox.

Na každé teleso pohybujúce sa pôsobí odpor prostredia. Tento odpor prostredia spôsobuje odporová sila , ktorá vzniká pri vzájomnom pohybe telesa a tekutiny a pôsobí proti pohybu. Táto sila závysí od tvaru telesa. Najväčšiu odporovú silu vytvára dutáa polguľa a naopak najmenšiu teleso aerodynamického tvaru, napr. slza. Pre odporovú silu platí



kde C je súčiniteľ odporu a závisí od tvaru telesa (napr. pre dutú polguľu C=1,4; pre slzu C=0,01). Tento poznatok má veľmi veľké využitie pri konštrukciach, napr. lietadiel, kde sa skúšajú nové tvary lietadiel na modeloch, ktoré sa nechajú obtekať vzduchom, v snahe získať čo najaerodynamickejší tvar. Avšak to isté platí aj u áut, kde sa tiež hľadá najvýhodnjší tvar, aby odporová sila bola menšia a tým aj spotreba.

VLASTNOSTI POVRCHOVEJ VRSTVY KVAPALINY

Na molekuly v kvapaline pôsobia sily: gravitačná, sila molekúl kvapaliny, sila častíc nádoby a sila ktorou pôsobia molekuly plynu na molekuly kvapaliny.

Najvýznamnejšie pre stav kvapaliny sú sily:

Sila častíc nádoby, ktoré pôsobia na molekuly kvapaliny

Sila okolitých molekúl kvapaliny, ktoré tiež pôsobia na dané molekuly.

Ak je výslednica týchto dvoch síl je kolmá na hladinu, hladina má vodorovný tvar. Ak je výslednica orientovaná mimo nádobu kvapalina nádobu zmáča ak je výsledná sila orientovaná smerom do kvapaliny, kvapalinanádobu nezmáča. Uhol, ktorý zviera povrch kvapaliny so stenou nádoby sa nazýva stykový uhol.Zakrivenie povrchu kvapalín napr. pri stenách nádoby spôsobuje nenulová výslednica povrchových síl. Výslednicou týchto síl je sila, ktorá pôsobí kolmo na voľný povrch kvapaliny a tak vzniká kapilárny tlak() pre ktorý platí

kde R je polomer guľového povrchu.

Kapilarita je závislá od toho či kvapalina nádobu zmáča , alebo či nie. Ak zmáča hovoríme o kapilárnej elevácii, čiže o vystúpení hladiny kvapaliny v kapiláre nad hladinu v nádobe. Ak nezmáča hovoríme o kapilárnej depresii teda hladina v kapiláre je nižšia ako v nádobe. Pre výšku pri kapilárnej elevácii platí