先生这是为您特制的三杯漩涡,请问您要中杯、大杯还是超大杯?
从图中可以看出来,的确漩涡的宽度会向底部逐渐变窄。
So TM why ?
因为离心力和重力一起参与了水压的形成啊。下面的分析有一些公式,但只有初中难度,经过我通俗的解释就只有小学难度了哦。
另外漩涡的形成或是由于自然的科里奥利力,或是因为强制液体旋转,总之都是让它有了一个角速度 omega ,我们这里只讨论漩涡的形状。
初中我们就学过水压的公式: p= ho gh
这个公式告诉我们,其实水压是水的重力( g )沿着深度往下( h )积累的结果。
如果水是静止不动的,那么从水面开始,垂直向下重力一层一层累积就形成了某一个深度的水压。
举个例子,就好比十个人“多人运动”,一个人趴在另一个人身上,这样堆十层,那么最高处的那个人肯定最轻松(摔下来另说),最底层的那人就是在用生命运动啊,泪目。
理解水压是怎么形成的之后,我们看看加上离心力会产生什么结果。
我们假设水杯里某一点的深度是 h ,离漩涡中心轴的距离是 r ,漩涡旋转的角速度是 omega 。
那么在 left( r,h ight) 这个点上的水,它要受到向下的重力 g 和远离漩涡中心方向的离心力 romega^{2}。
那么这点的压力就要加上离心力了:
p= ho gh+frac{1}{2} ho (romega^{2})r
细心的同学可能发现了,你离心力的那一项凭什么多一个二分之一啊?
因为实际上的压力“积累”过程是在数学上是一个积分的过程,本来的重力和离心力的“积累”是这样的,具体的推导参考欧拉静平衡方程:
dp= holeft( romega^{2} dr+gdh ight)
得到加上离心力的压力公式之后我们再考虑一下,漩涡的表面有什么特点呢?
很明显,压力相等吧,也就是说液面是一个等压面,我们设定液面压力是 p_{0} (实际上等于大气压)。
所以就有: p_0= ho gh+frac{1}{2} ho (romega^{2})r
我们把深度 h 写到方程的左边:
h=-frac{omega^{2}}{2g}r^{2}+frac{p_0}{ ho g}
这不就是一个抛物线吗!!!自变量是 r ,因变量是 h ,二次项系数是 -frac{omega^{2}}{2g} ,常数项是 frac{p_0}{ ho g} 。
逐渐变窄,原来就是往抛物线的顶点走!!!Amazing!!!
突然想到一个小问题就留给大家思考啦:
假如我们在水杯底部的正中心开了一个孔,水在漏出的过程中满足角动量守恒(即 r^{2}omega 恒定),那么液面形状会发生什么变化?
(说得这么通俗易懂给个左下角好不好,给您嘤嘤嘤了)
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