浮力、表面张力和毛细现象
• 引言
• 浮力定律
• 表面张力
• 毛细现象
• 结语
液体的浮力
• 液体对各个方向都 有压力，而压力随 深度线性增加。 • 浮力是液体压力对 固体表面作用的合 力，等于物体所排 开液体的重量
力 在 竖 直 方 向 分 解
液体的浮力
• 液体对各个方向都 有压力，而压力随 深度线性增加。 • 浮力是液体压力对 固体表面作用的合 力，等于物体所排 开液体的重量
浮力、表面张力和毛细现象
尤 明 庆
2008 年 10 月 19 日
Pascal 原理及 Bernoulli 方程
1） 引 言 2） Pascal 原理
3)
Bernoulli 方程
4） 虹吸现象（Siphonage) 5) 结束语
复习
静水压力
• • • • • • • • • 力是物体之间的相互作用 压力是流体内部单位面积的的作用力 压力垂直于作用面 流体压力与位置有关，与方向无关，即： 同一位置，各个方向的压力相等 力的单位是Newton，符号 N; 压力的单位是 Pascal ，符号 Pa; 1 N =1 kg m/s2, 1 Pa = 1N/m2, 1 MPa = 106 Pa 单位符号的确定规则
水暖为什么由上而下供应用用户
利用流体的重力势能克服流动阻力
虹吸：利用曲管将液体经高 于液面的地方引向低于液面
A siphon is a continuous tube that allows liquid to drain from a reservoir through an intermediate point that is higher than the reservoir, the flow being driven only by the difference in hydrostatic pressure without any need for Pumping. It is necessary that the final end of the tube be lower than the liquid surface in the reser
虹吸现象 ：
？？
装置通常处在大 气中，但即使两 贮水器液面为真 空，虹吸现象也 能实现 《辞海》2244页
申请专利号
CN90200662.2 1990.01.16 鸳 鸯 壶
鸳鸯壶
实用新型
专利申请日 名称
申请（专利权） 崔 富 胜
本实用新型涉及一种可以盛装各种液体 Mandarin duck 的鸳鸯壶，由壶体、壶嘴、壶把和壶盖组成。 壶体内由隔板分隔成两个空腔，并分别与通 往壶嘴的通液道相通，在壶体顶部设有加液 孔，壶把上设有进气孔，使用时可随意选择 壶内任一种液体。该鸳鸯壶结构简单、造型 美观、制造容易、成本低，使用方便，特别 适合于家庭、食堂、餐厅使用。
不沾湿
昆虫在水面上行走
Surface tension：Robert Anderson
光的干涉条纹 显示水面高度 的微小变化
表 面 张 力
表面张力是出现在液 体表面的张力，并不 是作用在表面的张力。 其起因实际上是界面 所造成的不对称
• 分子之间存在引力，液体内部每 一个分子都受到周围分子的引力， 处于平衡状态。 • 但边界处的分子只受到内部分子 的引力，呈收缩趋势，存在一种 张力。荷叶上的水滴、浮在水面 上的硬币就是表面张力的作用。
PB
PB
假如不流动： ΔP外=ρ冷 gΔH，大 ΔP内 =ρ热gΔH，小
烟囱出口处 热空气压力 较高，因而
PA
压力也是能量，其来源是„„„
烟 囱 的 作 用
PB
PB
矿井自然 通风系统 冬天
夏天
PA
压力也是能量，其来源是„„„
Bernoulli 方程
流体从水面到出口将 重力势能转换为压力 能，再将压力能转换 为动能
2πr T cosα＝πr２hρg
h ＝ 2T cosα /ρg r
纤维将水从下方引到高处
Dehra Dun-Waterfall at Sahastradhara generated by upward capillary action
土地的盐碱化源于毛细现象抽吸地下水
灌溉以及水库会引起地下水 上升，如果达到土壤毛细作 用范围，蒸发就会使地下水 持续上升，水被蒸发，留下 矿物质，引起土地盐碱化。 植树、治沙与土地荒漠化
流体能量
沿程阻力损失 局部阻力损失
P +ρg H + ρV 2 /2
实际上逐步降低
V 2gH V 2 gH
出 流 速 度
H
P
局部阻力损失：因流体运动的速度大小和方向 改变而引起的能量损失，与动能成正比，比例 系数与流体、管道（速度改变）特征等有关。
浇花水的塑料管 流 量 等 于 0 ， 速 度 ？ ！
Pascal`s law or Pascal`s principle
高度变 化所引 起的压 力差异 静止流体 重力势能 与压力能 总和守恒
PB
力平衡方程
S PA = S PB+
HB
PA
ρg（HB - H A)S
PA +ρg H A = PB + ρgHB Δ P = ρ g Δ H
烟 囱 的 作 用
Pascal`s law or Pascal`s principle
高度变 化所引 起的压 力差异
PB
力平衡方程
S PA = S PB+
HB
PA
ρg（HB - H A)S
• The difference of pressure due to a difference in elevation within a fluid column is given by: Δ P = ρ g Δ H
土地的盐碱化源于毛细现象抽吸地下水
祝大家
学习愉快 万事如意
祝大家
学习愉快 万事如意
P +ρg H + ρV 2 /2 = 常数
Bernoulli 方程
流体能量
沿程阻力损失 局部阻力损失
P +ρg H + ρV 2 /2
实际上逐步降低
V 22 gH V gH
出 流 速 度
H
P
不考虑流动的损失，重力势能、 压力能和动能的总和守恒
P +ρg H + ρV 2 /2 = 常数
V H
静止流体 重力势能 与压力能 总和守恒
P
PA +ρg H A = PB + ρgHB
Bernoulli 方程
流体从水面到出口将 与自由落体 重力势能转换为压力 运动的速度 能，再将压力能转换 完全相同 为动能
V 2gH
出流是一个 准静态过程
出 流 速 度
H
P
不考虑流动的损失，重力势能、 压力能和动能的总和守恒
浮心：浮力的作用点
• • • • • 浮体的位置和稳定性 球体 圆柱体 正方体 等等
表 面 张 力
• 分子之间存在引力，液体内部每 一个分子都受到周围分子的引力， 处于平衡状态。 • 但边界处的分子只受到内部分子 的引力，呈收缩趋势，存在一种 张力。荷叶上的水滴、浮在水面 上的硬币就是表面张力的作用。
液体表面 所接触的 有固体和 气体
表 面 张 力
法 ． • 肥皂泡因表面张力才存 夏 在。半径 R 肥皂泡，有 尔 两层表面，都产生张力。 丹
内部压力 P2 大于肥皂液
压力 P1，而 P1 又大于大
吹 肥 皂 泡 的 少 年
P0
P1
P2
P1 P2
气压 P0
P2－P0＝ 4T / R
(P2－ P1 ) πR2＝2πRT (P1－ P0 ) πR2＝2πRT
• 用塑料水管浇花，缩小其出口 面积能使水流喷到更远的地方
• 一般的说法是，面积减小，速 度增大，因而可以喷得更远。
• 说这句话时，实际上心中有这 样的一个认识：改变出口面积 时水管的出流量不变。不过，
若 将 管 子 完 全 捏 住 ，
浇花水的塑料管 • 减小出口面积，增大整个系统的流动阻力， 因而流量减小；出口面积为零，流量为零。 • 流量减小，水到达出口处的压力损失就减小， 使得出口处的压力增大；流量为零，出口处 压力 - • 出口处压力增大，喷出速度就有可能增大， 水流也就有可能喷到更远的地方。不过 - -
Bernoulli 方程
流体能量
沿程阻力损失 局部阻力损失
P +ρg H + ρV 2 /2
实际上逐步降低
V 2gH V 2 gH
出 流 速 度
H
P
沿程阻力损失：沿直管流动，流体与管壁摩擦 引起的，与管径成反比，与动能成正比，比例 系数与流体、管道粗糙特征等有关。
Bernoulli 方程
表 面 张 力
法 ． • 肥皂泡因表面张力才存 夏 在。半径 R 肥皂泡，有 尔 两层表面，都产生张力。 丹
内部压力 P2 大于肥皂液
压力 P1，而 P1 又大于大
吹 肥 皂 泡 的 少 年
P0
P1
P2
P1 P2
气压 P0
P2－P0＝ 4T / R
肥皂液的表面张力系数较小
20℃时水的表 面张力系数为 0.073N/m。
液体对固体的沾湿和不沾湿
• 固体分子对液体分子的引力 大于液体分子之间的引力， 则称液体对固体是沾湿的， 如水对玻璃，柴油对铁皮； 反之称为不沾湿的，如水银 对玻璃，水对荷叶。 • 柴油对铁皮的沾湿： 危害与防治
毛细现象
• 一个细玻璃管插入水中，水 面会上升。其原因是玻璃管 壁对水分子的引力大于水分 子之间的引力。这在玻璃管 的内外表面都能看到。 直径1 mm 的干净管子内， 水面可上升 30 mm