Mục lục bài họcĐang ở d08-b4
Pascal's Principle, Hydraulic Systems and Torricelli's Theorem
Pascal's principle
A change in pressure applied to an enclosed, incompressible fluid is transmitted undiminished to every point in the fluid and to the container walls. Two pistons connected by fluid therefore feel the same pressure, so
$$\frac{F_1}{A_1}=\frac{F_2}{A_2}\ \Longrightarrow\ F_2=F_1\frac{A_2}{A_1}$$This is the hydraulic lift: a $200$ N push on a piston of area $0{,}01$ m² supports a $10\,000$ N car on a piston of area $0{,}5$ m², a force multiplication of $50$. Note that it is the ratio of areas, so doubling the large piston's radius quadruples the force.
No free energy
The fluid is incompressible, so the volume pushed out of the small cylinder equals the volume entering the large one: $A_1d_1=A_2d_2$. The small piston must move farther by the same factor that the force is multiplied, and the work on each side is equal:
$$W=F_1d_1=F_2d_2$$To raise the car by $1$ cm, the $200$ N piston travels $50$ cm. A hydraulic system is a lever made of liquid — it trades distance for force, never creating energy.
Torricelli's theorem
Bernoulli applied to a tank open to the air, with a small hole a depth $h$ below the surface, gives the exit speed of the jet. At both the surface and the hole the pressure is atmospheric, and the surface drops so slowly (large area, continuity) that its speed is taken as zero:
$$P_0+0+\rho gh=P_0+\tfrac12\rho v^2+0\ \Longrightarrow\ v=\sqrt{2gh}$$This is exactly the speed of an object falling freely through a height $h$ — energy conservation per unit volume, with the fluid's density cancelling out. Once the jet leaves the hole, it is a projectile: the horizontal distance it reaches is $v$ multiplied by the free-fall time from the hole to the ground. Water $2$ m below the surface leaves at $\sqrt{2(10)(2)}\approx6{,}3$ m/s regardless of whether the tank holds water or oil.
Nguyên lý Pascal: độ tăng áp suất đặt lên chất lỏng không nén được trong bình kín truyền nguyên vẹn đến mọi điểm trong chất lỏng và thành bình. Hai pit-tông nối bằng chất lỏng chịu cùng áp suất nên $\dfrac{F_1}{A_1}=\dfrac{F_2}{A_2}$. Đó là kích thuỷ lực: đẩy $200$ N lên pit-tông $0{,}01$ m² đỡ được xe $10\,000$ N trên pit-tông $0{,}5$ m², nhân lực $50$ lần. Nhân theo tỉ số diện tích, nên gấp đôi bán kính pit-tông lớn thì lực gấp bốn.
Không có năng lượng miễn phí: chất lỏng không nén được nên thể tích đẩy ra khỏi xy-lanh nhỏ bằng thể tích vào xy-lanh lớn, $A_1d_1=A_2d_2$. Pit-tông nhỏ phải đi xa hơn đúng bằng hệ số nhân lực, và công hai bên bằng nhau: $F_1d_1=F_2d_2$. Nâng xe lên $1$ cm thì pit-tông $200$ N phải đi $50$ cm. Hệ thuỷ lực là đòn bẩy bằng chất lỏng — đổi quãng đường lấy lực, không sinh thêm năng lượng.
Định lý Torricelli: áp Bernoulli cho bể hở, lỗ nhỏ ở độ sâu $h$ dưới mặt thoáng. Áp suất ở mặt thoáng và ở lỗ đều bằng khí quyển, mặt thoáng hạ rất chậm (diện tích lớn, phương trình liên tục) nên coi tốc độ bằng $0$: $\rho gh=\tfrac12\rho v^2\Rightarrow v=\sqrt{2gh}$ — đúng bằng tốc độ vật rơi tự do qua độ cao $h$, khối lượng riêng triệt tiêu. Ra khỏi lỗ, tia nước là vật ném ngang: tầm xa bằng $v$ nhân thời gian rơi từ lỗ xuống đất. Nước ở sâu $2$ m dưới mặt thoáng phun ra với $\approx6{,}3$ m/s, dù bể chứa nước hay dầu.
Bể nước hở rất rộng đặt trên mặt đất, mực nước cao $5$ m. Người ta đục một lỗ nhỏ ở thành bể, cách mặt đất $3$ m. Lấy $g=10$ m/s². (a) Tốc độ nước phun ra khỏi lỗ. (b) Tia nước chạm đất cách chân bể bao xa? (c) Đổi nước thành dầu có khối lượng riêng $800$ kg/m³, cùng mực, kết quả đổi thế nào?
(a) Lỗ nằm dưới mặt thoáng $h=5-3=2$ m (đo từ mặt nước, không phải từ đất). Bể rộng nên tốc độ mặt thoáng $\approx0$; Bernoulli giữa mặt thoáng và lỗ, cả hai ở áp suất khí quyển:
$$v=\sqrt{2gh}=\sqrt{2(10)(2)}=\sqrt{40}\approx6{,}3\ \text{m/s}$$(b) Nước rời lỗ theo phương ngang ở độ cao $3$ m — bài ném ngang:
$$t=\sqrt{\frac{2(3)}{10}}\approx0{,}77\ \text{s},\qquad x=vt=6{,}3(0{,}77)\approx4{,}9\ \text{m}$$(Dạng tổng quát: $x=2\sqrt{h\,y}=2\sqrt{2\cdot3}\approx4{,}9$ m, với $y$ là độ cao lỗ so với đất.)
(c) Khối lượng riêng triệt tiêu trong $\rho gh=\tfrac12\rho v^2$, nên dầu phun ra cùng tốc độ và cùng tầm xa. Chỉ áp suất tại đáy bể và lực lên thành bể là giảm theo $\rho$.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Unit 8 — Fluids gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.