bÀi giẢng: thỦy lỰc

BÀI GIẢNG: THỦY LỰC

GV: ThS.Lê Văn Thông Địa chỉ : KXD-ĐH Kiến Trúc TP.HCM

Email : lvthong@hcmuarc.edu.vn

NỘI DUNG• Giới thiệu về lịch sử phát triển môn học & ứng dụng• Khái niệm về môn học. Đối tượng nghiên cứu• Phương pháp nghiên cứu• Các đặc trưng của chất lỏng• Các tính chất cơ bản của chất lỏng• Phân loại lực tác dụng trong chất lỏng• Khái niệm về chất lỏng lý tưởng

CHƯƠNG 1: CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN

CỦA CHẤT LỎNG

§1. Lịch sử & Ứng dụngCác nhà khoa học nghiên cứu cơ học chất lỏng

Archimedes(C. 287-212

BC)

Newton(1642-1727)

Leibniz(1646-1716)

Euler(1707-1783)

Navier(1785-1836)

Stokes(1819-1903)

Reynolds(1842-1912)

Prandtl(1875-1953)

Bernoulli(1667-1748)

Taylor(1886-1975)

• Chất lỏng cần thiết cho cuộc sống– 95% cơ thể con người là chất lỏng– 2/3 bề mặt trái đất là nước– Tầng khí quyển bao quanh trái đất thì kéo dài 17km trên bề mặt

trái đất

• Lịch sử hình thành và phát triển nghiên cứu chất lỏng :– Địa mạo học– Sự di trú và văn minh con người– Khoa học hiện đại và những lý thuyết, phương pháp toán học – Chiến tranh

• Ảnh hưởng đến mọi khía cạnh của cuộc sống

Ứng dụng

Thời tiết & Khí hậu

Vòi rồng

BãoThay đổi khí hậu toàn cầu

Sấm sét

Giao thông

Hàng không

Tàu ngầmTàu lửa tốc độ cao

Tàu thủy

Môi trường

Ô nhiễm không khí Dòng chảy ở sông

Y học

Truyền máu Thiết bị trợ giúp não thất

Thể thao & giải trí

Điều khiển thuyền

Đua xe

Đua thuyền trên biểnĐua xe đạp

Lướt ván

§2. Định nghĩa. Đối tượng, phương pháp

ĐN :Thủy lực học nghiên cứu và ứng dụng các quy luật cân bằng và chuyển động của chất lỏng, lực tác động qua lại giữa chất lỏng với các vật thể ( rắn, khí ) chuyển động

trong nó hoặc bao quanh nó

Cơ học

Cơ học đại cươngCơ học rắn

Cơ học môi trường rời rạc

Cơ học môi trường liên tục : thủy lực …

Thủy lực Thủy lực đại cương

Thủy lực chuyên ngành

Đối tượng nghiên cứu chính : Nước

Phương pháp

Lý thuyết

Thực hành

Giải tích

Phương pháp số

Đồng dạng

Tương tự

§2. Các đặc trưng của chất lỏng

A V 0

m

V

dmlim

dV

1. Khối lượng riêng

m

V

dmdV

Chất lỏng không nén được const

2. Trọng lượng riêng

mg

gV

3. Tỷ trọng

2H o/ 4. Thể tích riêng

sV 1/

Nöôùc Khoâng khí

Thuûy ngaân

( kg/m3 ) 1000 1.228 13.6x103

( N/m3 ) 9.81x103

12.07 133x103

5. Tính thay đổi thể tích do thay đổi áp suất, nhiệt độ

5.1 Thay đổi áp suất

p

p

dV 1;K

Vdp

5.2 Thay đổi nhiệt độ

t

dVVdt

§3. Các tính chất của chất lỏng1. Tính linh động (tính chảy)

.Biến dạng tăng liên tục không giới hạn dưới lực nhỏ

. Chất lỏng không có hình dạng riêng mà luôn luôn theo

hình dạng của vật thể chứa nó hoặc bao quanh nó . Các phần tử chất lỏng chuyển động tương đối với nhau

Lực tác dụng vào phần tử sẽ phân bố khắp chất lỏng

2. Tính liên tục

3. Tính chịu nén

F duA dy

4. Tính nhớt

dudy

Gradient của vận tốc theo phương thẳng đứng

Hệ số nhớt động lực học ( phụ thuộc vào loại chất lỏng và nhiệt độ)

02

0.01781 0.0337t 0.000221t

0a(p p )0e

: Trò soá ñoä nhôùt ôû caùc aùp suaát p vaø p0a = 0.002 - 0.003 : Heä soá thí nghieäm

0,

0 Khoái löôïng rieâng cuûa nöôùc ôû 0 độ C

Hệ số nhớt động học

Ñôn vò ño löôøng cuûa laø Poise (P). 1P = 0.1 Ns/m2 = 0.1 kg/(m.s)Ñôn vò ño löôøng cuûa laø Stoke (st). 1st = 1 cm2/s = 10-4 m2/s . 1Cst = 0.01 st = 10-6 m2/s

Nöôùc

Khoâng khí

( Poise ) 10-2 1.8x10-4

( Stoke ) 0.01 0.15

0 20

0.06310.0731 E (cm / s)

E

" 2"

1.800.00220 S (cm / s)

S

" 2"

1.720.00260 R (cm / s)

R

Nga

Mỹ

Anh

Ví dụ

Tính nhớt: Chất lỏng Newton & Phi-Newton

Chất lỏng Newton : Quan hệ giữa ứng suất & biến dạng tuyến tính. Hầu hết chất lỏng là Newton

Chất lỏng phi Newton thì không tuyến tính

Corn Starch

Latex Paint

Toothpaste

5. Sức căng mặt ngoài

Thí nghiệm

R' 2 l, =

:laø heä soá söùc caêng maët ngoaøi (löïc taùc duïng treân ñôn vò chieàu daøi)

bmE A

Tổng quát

Theo Laplac

1 2

1 1p ( )

R R

Ví dụ : Giọt nước

Mô hình toán học

R : bán kính giọt nước, : là lực căng mặt ngoài ,p : độ chênh lệch áp suất phía bên trong và bên ngoài .

2surfaceF R Điều kiện

2RpFpressure Applied to Area

Applied to Circumference

p = pi – pe:

Chứng minh đối với bọt nước thì :

Rp

2

Rp

4

Ống mao : là loại ống có đường kính nhỏ hơn 1mm, hình dạng giống như sợi tóc

Dính ướt Không dính ướt

Nước Thủy ngân

6. Hiện tượng mao dẫn

< 90° >90°

Rh

cos2

cos2 RFsurface Điều kiện

2G R h

Cân bằng :

§4. Lực tác dụng trong chất lỏng

Khác với cơ học vật thể rắn, ở đó tồn tại cả lực tập trung lẫn lực phân bố, trong cơ học chất lỏng chỉ tồn tại lực phân bố

Chất lỏng không có khả năng chịu lực tập trung

Lực tác dụng lên chất lỏng : nội lực và ngoại lực.

Nội lực là lực tương tác giữa các phần tử chất lỏng.

Ngoại lực là lực tác dụng lên các phần tử chất lỏng từ phía môi trường vật lý bên ngoài hoặc từ phía các vật thể khác, tiếp xúc với thể tích chất lỏng.

Nếu ta tách ra một phần từ một thể chất lỏng để nghiên cứu thì lực tác dụng từ phía chất lỏng bao bọc xung quanh lên thể tích nghiên cứu trở thành ngoại lực.

Lực khối : ký hiệu , là lực tác dụng lên một đơn vị khối lượng chất lỏng . Giá trị của lực khối tỉ lệ với khối lượng của chất lỏng. Ví dụ như trọng lực, lực quán tính

Goïi laø löïc khoái taùc duïng leân phaàn töû chaát loûng taïi moät ñieåm A coù theå tích vaø khoái löïông . Vectô cöôøng ñoä löïc khoái taïi ñieåm A khi ñoù:

V 0

FF lim

V

Trường hợp lực khối là trọng lực, F g

Trường hợp lực khối là lực quán tính, F a

Trường hợp lực khối là lực quán tính ly tâm, 2F w r

Lực mặt : là ngoại lực tác dụng lên thể tích chất lỏng thông qua bề mặt bao bọc. Gía trị của lực mặt tỉ lệ với diện tích bề mặt.

Chất lỏng lý tưởng được hiểu là chất lỏng giả định, có tính dịch chuyển tuyệt đối, tức là hoàn toàn không nhớt, cũng như không nén tuyệt đối, không dãn nở khi nhiệt độ thay đổi và tuyệt đối không có khả năng chống lại lực cắt

§5. Chất lỏng lý tưởng