水的流線演示實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與制作

袁偉涵

(河北衡水第一中學(xué) 河北 衡水 053000)

1 引言

流體力學(xué)是一門既古老又富有生命力的學(xué)科，從2 000多年前的阿基米德原理為流體靜力學(xué)奠定了基礎(chǔ)開始，流體力學(xué)在人類的日常生活及生產(chǎn)事業(yè)中占有越來越重要的地位．

流體力學(xué)主要研究對象是氣體和液體，而空氣和水是生活中最常見到的兩種流體．與之相關(guān)的氣象、水利、船舶、飛行器等領(lǐng)域都用到了流體力學(xué)的知識．在不斷發(fā)展的過程中，又衍生出許多新興的流體力學(xué)學(xué)科：生物流體力學(xué)、地質(zhì)流體力學(xué)、電磁流體力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)等．

在學(xué)習(xí)流體力學(xué)理論知識時(shí)，引入了流線的概念來描述流體的運(yùn)動(dòng)．流線是為了形象描述流體人為畫出的曲線，在實(shí)際流體中并不可見．我們設(shè)計(jì)制作了一臺水的流線演示實(shí)驗(yàn)裝置，能夠直觀地看到水的流動(dòng)狀態(tài)，加深對流體流線相關(guān)理論知識的理解．

2 設(shè)計(jì)原理

在研究水這樣的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可以利用流線或跡線來進(jìn)行描述．跡線是某一流體質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程中某連續(xù)的時(shí)間段內(nèi)所占據(jù)空間點(diǎn)的連線，即流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡．流線是指在某一瞬間在流速場中由無數(shù)質(zhì)點(diǎn)所組成的一條平滑的曲線，曲線上任意質(zhì)點(diǎn)在該瞬時(shí)的速度矢量都與此曲線相切(圖1)．如果描繪出空間的各點(diǎn)在同一瞬間的流線，那么將這些流線綜合起來就可以描繪出整個(gè)空間在這一瞬間流場的流動(dòng)現(xiàn)象．

圖1 流線

如果我們將水染色，用這些染色后的液體質(zhì)點(diǎn)來顯示流場動(dòng)態(tài)，便可以清晰地觀察到流體的跡線．在定常流動(dòng)中流速場不會(huì)隨著時(shí)間而改變，即流線的形狀不會(huì)隨時(shí)間而改變,此時(shí)跡線與流線是互相重合的．因此在定常流動(dòng)中觀察到液體的跡線，也就相當(dāng)于觀察到了流線．

當(dāng)這些流場跡線經(jīng)過不同形狀的障礙物周圍時(shí)，就可以直觀地反映出流場的分布規(guī)律以及流線的特征和性質(zhì)(圖2)．這樣對初學(xué)者會(huì)產(chǎn)生極大的興趣，產(chǎn)生強(qiáng)烈地學(xué)習(xí)欲望，為今后深入地學(xué)習(xí)和理解打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).水的流線演示實(shí)驗(yàn)裝置便是根據(jù)上述原理進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作的．

圖2 流線繞過障礙物

3 演示實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)和制作

我們所設(shè)計(jì)的流線演示實(shí)驗(yàn)裝置的主體結(jié)構(gòu)由頂部的的兩個(gè)前后水槽，中間水流夾層、底部儲(chǔ)水槽、支撐側(cè)板等幾部分組成．

材料采用5 mm厚的透明亞克力板，通過合理的設(shè)計(jì)，將亞克力板切割成所需的形狀并粘接形成儀器主體結(jié)構(gòu),如圖3所示．

圖3 流線演示實(shí)驗(yàn)裝置的立體結(jié)構(gòu)

演示裝置的結(jié)構(gòu)如圖4所示，頂部水槽與水流夾層板之間鉆有一排入水小孔，小孔的直徑為1 mm，孔間距為10 mm，前后頂部水槽的入水小孔交錯(cuò)排布．

水流夾層由前后兩片透明亞克力板和夾在兩板周邊的等厚墊片組成一個(gè)薄空間，其空間厚度為5 mm，特制的障礙物模型能夠放入這個(gè)夾層中，水也能夠在夾層中繞過模型自由流動(dòng)．

水流夾層板外設(shè)有定位磁鐵，我們采用了磁性較強(qiáng)的釹鐵硼磁鐵，兩塊為一組，這兩塊磁鐵可以牢固地吸在水流夾層板的兩側(cè)，還能方便地改變位置，它的作用是能夠吸住放入夾層中的障礙物模型，起到固定和定位障礙物模型位置的作用．利用多組這樣的磁鐵還可以將多個(gè)模型同時(shí)放置在夾層中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察．

夾層最下端裝有一個(gè)帶開關(guān)閥的排水管，可以通過控制閥門開關(guān)的大小的來控制從頂部水槽經(jīng)過入水小孔流過夾層的水流的流動(dòng)速度．

圖4 流線演示裝置結(jié)構(gòu)圖 (a前視圖，b側(cè)視圖)

流出排水管的廢水暫時(shí)儲(chǔ)存在底部的水槽中，底部水槽的容積大約是頂部水槽的3倍，能夠滿足多次注排水實(shí)驗(yàn)的使用．底部水槽也有一個(gè)帶有橡膠塞的排水口，由實(shí)驗(yàn)結(jié)束后拔掉橡膠塞可以方便地把廢水排掉．

兩側(cè)的支撐板不僅是組成上下水槽的一部分，還將上下水槽、水流夾層等部分連接為一個(gè)整體，這樣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能夠使得儀器外形美觀、結(jié)實(shí)耐用．

障礙物模型采用不透明的白色亞克力板制作，板材厚度為4 mm，這樣可以方便地放入夾層或從中取出來，根據(jù)實(shí)際需要可以制作不同形狀的障礙物，比如圓形、機(jī)翼剖面形等形狀(圖5)．在障礙物模型中心鑲嵌有鐵片，這樣就可以被定位磁鐵吸住，固定在水流夾層的某個(gè)位置上．

圖5 障礙物模型

4 演示實(shí)驗(yàn)裝置的操作和現(xiàn)象

首先把水流夾層底部的排水管閥門打開，在實(shí)驗(yàn)裝置頂部的兩個(gè)水槽注入清水，水會(huì)通過頂部水槽與夾層間的小孔流入夾層，待夾層內(nèi)充滿水后，關(guān)閉排水管閥門．

將某一個(gè)障礙物模型插入水流夾層中，用定位磁鐵在夾層板外吸住障礙物模型中心的鐵片，通過移動(dòng)定位磁鐵，可以吸引障礙物模型放置在水流夾層中合適的位置上．

在頂部兩個(gè)水槽的其中一個(gè)水槽中滴入墨水并攪拌均勻，形成帶顏色的水．緩慢打開排水管閥門，使水流穩(wěn)定地向下流動(dòng)，清水和帶顏色的水通過交錯(cuò)排布的入水小孔流進(jìn)水流夾層并繞過障礙物流動(dòng)，就會(huì)出現(xiàn)一系列穩(wěn)定的有色流線線條．

更換不同形狀的障礙物模型能夠觀察到相應(yīng)的流線分布(圖6)．也可以將2～3個(gè)不同的障礙物模型同時(shí)放入夾層中進(jìn)行對比觀察．

圖6 不同障礙物周圍的流線分布現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)時(shí)可以在透明的水流夾層后襯托一張白紙，這樣流線的線條將更加明顯(圖7)．

圖7 流線演示實(shí)驗(yàn)裝置的演示效果

5 結(jié)束語

本演示實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)合理、外形美觀、使用操作方便，可以課堂上進(jìn)行演示．它能夠把流體中的流線和障礙物周圍流場分布狀況直觀地顯現(xiàn)出來，將不可見的流線展現(xiàn)在眼前，加深學(xué)生對流體性質(zhì)的認(rèn)識和理解，使抽象的物理理論變得生動(dòng)有趣，激發(fā)學(xué)生們主動(dòng)學(xué)習(xí)物理知識的興趣．