圆管中粘性不可压缩流体的流量与什么有关?《张朝阳的物理课》推导泊肃叶定律

2022-12-26 17:26 李华 1782 点击

如何求解简单情况下的纳维尔-斯托克斯方程?圆管中粘性不可压缩流体的流量与什么有关?《张朝阳的物理课》第一百一十一期在12月25日12时开播,搜狐创始人、董事局主席兼CEO张朝阳坐镇搜狐视频直播间,先给网友们复习了纳维尔-斯托克斯方程,然后假定圆柱形管中流体作稳恒层流运动,并化简纳维尔-斯托克斯方程,继而解得圆管中流体的流速的抛物线分布,进一步根据流速与半径的关系推导出泊肃叶定律,最后讲解该定律的一些应用。

张朝阳先给网友们复习了纳维尔-斯托克斯方程,该方程在一般情况下难以求解,于是这节直播课考虑一种具有高度对称性的简单例子。

雷诺数小于2000的流体可以在圆柱形管中作稳恒层流运动,以圆管中心轴为z轴建立柱坐标系,假设流速只沿着z方向并具有绕z轴的旋转对称性,那么流速只沿着径向变化,而流体压强则只沿着z方向变化,沿着径向不变。由此,可以极大化简纳维尔-斯托克斯方程,得到非常简单的一元微分方程。

紧接着,张朝阳引入不滑动边界条件,求得微分方程的解,发现圆管中的流体流速与半径呈抛物线型关系,中心的流速最大,管壁的流速为零。根据流速可进一步计算出流量与流体压强和圆管参数之间的关系,发现流量与圆管半径的四次方成正比,同时也与两端的压强成正比,与管长成反比,这就是泊肃叶定律,该定律可以用于讨论人体血管中血液的流动、打吊针时影响液体流速的因素等等,具有广泛的应用。

截至目前,《张朝阳的物理课》已直播一百余期,内容丰富、覆盖广泛,理论公式由浅入深、繁简交融。从去年11月开启第一节物理直播课,他先是从经典物理学开始,科普了牛顿运动定律等;而后从经典物理的“两朵乌云”说起,向近现代物理过渡,探讨了黑体辐射理论中的维恩公式、普朗克公式等知识。

此后逐步进入量子力学领域,从基础的薛定谔方程等理论内容,到氢原子波函数,再到气体定容比热的温度阶梯,并顺势讲解了热力学定律。接着回到了经典物理,推导出飞船运行轨迹,估算太阳的结构与性质以及中子星的自转速度。

随后,讲解了陀螺的进动,还计算出月球的潮汐高度。紧接着介绍狭义相对论的四维语言,并逐步过渡到了电动力学。之后进一步分析了地球的形变成因以及月球的退行效应,并转向研究流体力学领域。

《张朝阳的物理课》的直播风格独树一帜:以演算物理为特色,注重从日常现象引入,通过一步一步详尽计算和硬核推导,理解自然界的基本规律。

据了解,《张朝阳的物理课》于每周周五、周日中午12时在搜狐视频直播,网友可以在搜狐视频“关注流”中搜索“张朝阳”,观看直播及往期完整视频回放;关注“张朝阳的物理课”账号,查看课程中的“知识点”短视频;此外,还可以在搜狐新闻APP的“搜狐科技”账号上,阅览每期物理课程的详细推导过程。

除了《张朝阳的物理课》外,在直播方面,搜狐视频正持续打造知识直播平台,邀请各个科学领域的头部播主入驻,进行科普知识直播。中国科学院心理研究所应用心理硕士唐义诚,带你了解“夫妻相处中的吵架心理”;北师大比较教育学博士史明洁的心理课堂分享“如何跟负面情绪和解”,拒绝精神内耗;中国著名微表情读心专家纪宇,通过微表情教你“如何读懂孩子的心”;清华大学临床医学博士申晨煜医生,帮你远离“职场PUA”。未来将有更多知识主播入驻搜狐视频,一同玩转科学,探索不同领域。

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