浮力と浸漬のボディ ドラッグ

浮力とドラッグは、流体を通してオブジェクトの運動を考慮したときに発生する一般的な 2 つの力です。予測とこれらの力の評価エンジニア リングの車両など、多くの機械問題の解決や、水泳や飛行生物の動きを理解すること重要です。あなたの直感が想像するほど、浮力に力が作用垂直方向に上向き重力への直接反対でオブジェクト。同様に、抵抗力は、周囲の液体は、オブジェクトの相対運動に反対して行動を基準にしてオブジェクトを遅く傾向があります。このビデオでこれらの 2 つの力はどのように発生し、その大きさを決定する方法を詳しく検討します。小さな泡と上昇流体の液滴への影響は議論され、他のアプリケーションを終了する前に実験によって、示されます。

まず、ぜひ、浮力があてしましょう。ときにオブジェクトが完全に液体に浸漬、浮力の力の大きさは周囲の流体密度の製品では単に、オブジェクト、および重力加速度のボリューム。これはアルキメデスの原理によって示されるように、オブジェクトによって転置された液体の重量と同じです。もちろん、それはボリュームと重力加速度のオブジェクト回の平均密度は、重力の力はまだ下に引浮力力への反対で。したがって、オブジェクトの平均密度には、流体の密度と等しい場合、浮力と重力の力の和が 0 し、オブジェクトが中立的に浮揚性になります。同様に、オブジェクトがより高密度の場合は、シンクが、ありより少なく密なら、それがフロートされます。ただし移動オブジェクトが開始されると、それは別の力に遭遇、ドラッグします。ドラッグは、流体を介して物体の運動によって引き起こされる摩擦抵抗によるもので、速度ベクトル"U"で示された動きの方向に対して動作します。計算が複雑な抵抗力の大きさが 1/2 としてのモデル化一般に、流体の密度の製品、身体の投影面積と動き、抗力係数と相対速度の方向乗。オブジェクトの形状の影響をキャプチャの抗力係数とレイノルズ数に依存するためも考慮に入れて体に強制的に慣性力と粘性流体の相対的な大きさ。レイノルズ数、流体の密度と粘度の比で相対速度と、オブジェクトの特徴的な長さスケールを掛け合わせて算出されますが、一般に、抗力係数の簡単な式がないと決定する必要があります。経験的または数値。高密度流体中の球状の物体に作用するこれらの力のすべての 3 つを考えます。浮力の力が重力の力をカウンターし、オブジェクトを上方向に加速します。しかし、速度が上がるにつれて、だから、ドラッグします。最終的には、オブジェクトはターミナル速度、すべての 3 つの力がバランスと呼ばれる一定の速度に達する。流体と質量直径の密度とこの球の終末速度が知られている、抗力係数が計算できます。今、小型の抗力係数を測定することによってこれらの原則をテストしてみましょう油滴のグリセリン、上昇との比較論で気泡します。低レイノルズ数の気泡、液滴、抗力係数は 16 をレイノルズ数で割った値をする必要があります。

これらのテストを実行するには、吹出し口を備えた透明な液体タンクが必要です。タンクを組み立てるためのテキストの指示に従います。タンクの構築が完了したら、セットアップの注入ポート、簡単に利用できるように、塗りつぶし内部に対してフィルムをゆっくりと注ぐことによって約 25 cm の深さにグリセリンと壁。この手法はコンテナー内の気泡巻込みを減らすを助けます。いくつかのガスがない同調を得る必然的に、グリセリンから上昇するのでこの時間を使用して、カメラとライトを設定する時間が必要になります。三脚、コンテナーを直視し、十分に高い液体の上の部分が表示されているカメラに貼付します。カメラ向かい明るい光源をマウントし、必要に応じて、ライトとより均一な照明を達成するためにコンテナー間ディフューザー シートを挿入します。今、注意深く挿入定規垂直方向にグリセリン注入ポートの上にカメラに直面してマーキングします。高さ約 150 mm のマーキングにカメラの焦点をスパンするビューのフィールドを調整します。キャリブレーションのルーラーの短いビデオを記録し、慎重にタンクから抽出します。位置または実験の残りの部分のためのカメラのビューのフィールドを調整しないまたは校正は無効になります。最後に、細い針で注射器 2 本を準備します。最初の注射器だけ、空気が含まれてが低粘度の植物油と、油ベースの食品の着色料の混合物 2 つ目を埋めます。実験を実行する準備が整いました。空気の泡を注入する最初の注射器を使用し、それが上昇するにつれてカメラで記録。15 回とバブル サイズのさまざまな手順 10 を繰り返します。今、色の油でこの手順を繰り返し、さまざまなサイズの 10 に 15 滴を記録します。

画像とビデオから個々 のフレームをエクスポートすることができるソフトウェアでコンピューターにカメラからすべてのビデオ ファイルを転送します。まず定規の校正ビデオを開き、1 つのフレームをエクスポートします。この画像を使用して、1 ピクセルあたりのメートルの点で倍率を決定します。スケール ファクターがある場合は、ビデオの残りの部分を処理できます。気泡や液滴ビューの下部にある 1 つのフレームをエクスポートし、(ピクセル単位) の水平方向の直径を測定します。次に、気泡や液滴の上端に画像の上端からピクセルの垂直方向の距離を測定します。最後に、このフレームのタイムスタンプを記録します。今、気泡や液滴がグリセリンの内でまだ完全にビューの上部にある 2 番目のフレームをエクスポートします。もう一度、タイムスタンプ、垂直方向の距離を水平方向の直径を測定します。今 2 つの水平方向の径と 2 つの測定時間に対応する垂直方向の位置があります。直径測定値の平均を取るし、ピクセルからこの値をメートルに変換するスケールのファクターを使用します。今、2 つのフレームの垂直方向の高さの違いを取る。ピクセルからこの距離をメートルに変換するのにスケール ファクターをもう一度使用します。この距離を上昇するのにかかる時間は、2 つのフレームのタイムスタンプとの間の差分を取ることによって発見されます。今では位置と時間の変化は知られている終末速度は簡単に 2 つの比を取ってによって決定します。これらの結果を使用して、前派生した方程式を用いた抗力係数を計算します。流体密度や重力加速度の公開値をご覧ください。理論的取り扱いが抗力係数とレイノルズ数の関係を予測することを思い出してください。密度とグリセリンの粘度の測定と公開された値を使用して、レイノルズ数を計算します。我々 はすぐに理論と計測値を比較するこの結果を使用しますが、意味のある比較のため測定の不確かさはまた認識必要があります。前述の抗力係数とレイノルズ数における最終的な不確かさを決定するテキストであなたの不確実性を反映します。一度すべての動画の分析が完了したら、結果を見てを取る。

最初に、異なるサイズの気泡からの動画を比較します。これらの低速度と長さのスケール、強い表面張力力、ほぼ球形の泡で結果が、小さい泡が比較的強力な抗力より低い速度で上昇します。最大泡に近づく 2 つのやや後流域におけるフラットなツインテールのレイノルズ数。さて、油滴の異なるサイズのビデオを比較します。、泡と水滴のままほぼ球状と小さな液滴が強力な抗力より低い速度で上昇します。彼ら最大の石油が値下がりしました唯一のアプローチ 0.2 のレイノルズ数しかし大きい体重のなり少しファウンドリー、しぶきの中循環油の高慣性のため可能性があります。最後に、気泡、液滴、レイノルズ数の関数として測定された抗力係数を落とし、理論的予測と比較しています。全体的に、理論と実験的不確実性の内で一致するほとんどの測定のドラッグ係数値で質的に近い契約を観測します。

浮力およびドラッグが、膨大な各種工業プロセス、機械システムに影響を与える力。基、沸騰水型原子炉、原子力発電所の蒸気発生器の一種であります。これらの原子炉の放射性燃料棒の熱を上向きの縦束蒸気を生成する高圧の水が流れます。このビデオは、燃料棒を表す透明なシリンダーに沿って液体ガスの流れの実験を拡大を示しています。浮力やドラッグなどの概念は、これらの燃料アセンブリ内二相流の挙動を予測し、安全に運用できるように考慮されなければなりません。気泡がクイック削除されない場合過熱と失敗につながる、十分な浮力と流体燃料棒表面で乾燥できます。車お尻車、飛行機、ボートなど重要な抗力が発生します。たとえば、高速道路の速度で典型的なセダンが必要馬力または 30 kW の空気の抵抗を克服するだけ。車両の形状と吸気排気経路に慎重な設計は車の周りの空気の流れを制御し、ドラッグを削減できます。これにより、効率を増加しています。

浮力とドラッグのゼウスの概要を見てきただけ。今、どのようにこれらの力発生して流体中の物体の動きをもたらすことの方法を理解しておくべき。物性とその端末の速度を測定することによってオブジェクトのドラッグの係数の決定法に基づくこれらの力を計算する方法を見てきました。見ていただきありがとうございます。