流體力學 - 吹不走的小球
你猜,我把鼓風機打開,用這個角度吹小球,小球會被吹走嗎?
前面的問題,你選了什么呢?想知道答案么?咱們就先理論分析一下。先從基礎場景,豎直方向分析,向上吹小球,小球受自身重力和風給它向上的壓力,重力和鼓風機氣量合適,力就達到平衡,小球懸空靜止。如果球偏離中心,會不會掉下去呢?
鼓風機吹氣是射流問題,流體力學書中告訴我們,低于音速時射流中壓強約等于環境壓強。假設球向左偏,右側流體繞過球流速變大,根據伯努利定律,流速變大,壓強就變小,就小于原來該位置的環境壓強了,而左邊接近環境壓強,球就被壓回到了中心,所以即使球左右晃動也不會掉下去。
豎直的問題理解了,那么斜著吹呢?
把它斜過來,重力沿著射流方向和垂直射流方向做個分解,沿射流方向分力比原來重力小了點兒,小于向上壓力了,所以球就會被吹遠了一點兒,向上的壓力相應減小,和重力分量達到新的平衡。然后再看重力垂直射流方向的分力,會讓球向右下移動,根據剛剛分析的伯努利原理,球左側流速大壓強小,所以就受到了氣流給它向左上的壓力,和重力這個分力平衡。于是,小球就懸在這里,既不落下,也不被吹走。
理論解釋,你GET了嗎?
為了更直觀地看到小球受力理情況,用流體仿真軟件AICFD做個模擬。一個小球放在空氣中,然后用一股高速流體來吹它。常用的湍流模型計算,很快收斂,豎直方向時,壓力云圖顯示,底部壓強最大,這就是平衡重力的那個壓力。當小球偏左,可以看到右側流速變大,壓強變小,球就能被向右壓回中心。
再看斜著吹時,算出的結果,小球左上側流速大,壓強小,壓力方向垂直射流向左上,與重力分量平衡,沿射流方向壓力與重力另一個分量平衡,小球就可以靜止在這里了。
理論加仿真,片頭的問題,咱們已有了答案,那么真相是這樣嗎?馬上實驗看一看。
豎直方向,怎么移動,小球都不會掉出來,逃不出這個流體的局。
下面我們斜著吹,沿射流方向的力是重力的分力,變小了,小球就離出風口更遠了,而氣流球左上的力就和重力右下的分力平衡了。神不神奇!
以往的視頻,我都是通過從生活中常見的現象去分析它的原理,再做仿真的復現和實驗的驗證。今天呢,是我發現一個特別好玩兒的事兒,就想和大家講一講,但這個在生活中有什么應用呢,查了很多資料也沒有查到,所以想和大家腦洞一下,你說這個吹不走的小球的現象在生活中可能有什么應用呢,咱們一起腦洞,也許真的會創造出一些有用的新發明。本期就到這啦,咱們下期見!拜拜!
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