Mười thí nghiệm từ “quỹ vàng” thủy động lực học

52

Mười kinh nghiệm từ “nền vàng” thủy động lực học

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
S. K. BETYAEV

Ăn đi, bố già, Shanezhka thứ mười.
Tôi không nghĩ vậy.
Tục ngữ Nga.

Không thể tính toán được thành tựu nào trong thủy động lực học lớn hơn: lý thuyết hay thực nghiệm. Thật khó để chia chúng thành hai loại này.

Tất nhiên, điều này áp dụng cho bất kỳ lĩnh vực vật lý nào khác. Một lý thuyết thường đại diện cho một thí nghiệm dẫn đến việc phát hiện ra một hiện tượng mới. Do đó, nhà thiên văn học người Pháp Lever, người đã phát hiện ra hành tinh Sao Hải Vương “ở đầu bút” vào năm 1846, đã tận dụng dữ liệu về những thay đổi trong sự nhiễu loạn trong chuyển động của hành tinh Sao Thiên Vương. Ngược lại, những phát triển lý thuyết sơ bộ được tăng tốc bằng thực nghiệm có thể mang lại một dịch vụ quan trọng. Ví dụ, khám phá thực nghiệm gần đây nhất về hiện tượng siêu dẫn ở nhiệt độ “gần như phòng” chỉ có thể thực hiện được nhờ phân tích lý thuyết về hiệu ứng này.

Có một số loại thí nghiệm khoa học. Nếu vẫn không có giả thuyết hoặc phiên bản nào về bản chất của hiện tượng đang được nghiên cứu, thì họ sẽ nói về một thí nghiệm tìm kiếm. Nếu có một giả thuyết thì thí nghiệm được tiến hành để kiểm tra nó được gọi là thí nghiệm kiểm soát. Cuối cùng, nếu có một số giả thuyết thì thí nghiệm được tiến hành để chọn ra một trong số chúng được gọi là thí nghiệm mang tính quyết định.

Ngoài việc phân chia thí nghiệm theo mục đích đã định, người ta còn sử dụng cách phân chia chính thức thành thí nghiệm định lượng và định tính. Trong thủy động lực học, kết quả của dữ liệu số đầu tiên được thêm vào và kết quả của dữ liệu thứ hai là lý thuyết “hình học” được xác định - ví dụ: quỹ đạo của một phần chất lỏng. Một thí nghiệm định lượng thường là một “hộp đen”: chỉ ghi lại tín hiệu sinh thái về một số tác động lên đối tượng đang nghiên cứu, bản chất của nó vẫn chưa được biết. Một thí nghiệm chất lượng cao có tầm quan trọng lớn đối với thủy động lực học như một môn khoa học.

Tất cả các thí nghiệm được thảo luận dưới đây là định tính. Hầu hết chúng có thể được kiểm tra trong phòng vật lý của trường hoặc ở nhà.

1. Thủ thuật chơi bóng bàn

Chúng ta đã quen với thực tế là một vật chìm trong một dòng chất lỏng bị tác động bởi một lớp lực cản hướng dọc theo dòng chất lỏng. Nhưng liệu quá trình này có luôn diễn ra theo cách này không?

54

trọng lực ero $m_1 g < F_{\max}$, thì nó hơi dịch chuyển xuống dưới và cũng sẽ giữ ở vị trí cân bằng. Trong trường hợp $m_1 g > F_{\max}$ bóng sẽ rơi ra ngoài.

Nếu phần cuối mở rộng của phễu được nâng lên trên thì hướng của lực $F$ so với hướng của tốc độ của vảy sẽ thay đổi theo hướng ngược lại - nó sẽ trở thành một lực cản bình thường tác dụng dọc theo dòng chảy. Trong trường hợp này, vị trí cân bằng của quả bóng $h_2$ hóa ra gần với phần hẹp nhất của phễu, nhưng cũng sẽ ổn định.*)

2. Lớp ranh giới

Bất cứ ai đã từng sử dụng máy tính chắc chắn đều biết rằng máy tính có đồ họa xây dựng. Nhưng hóa ra là có thể thu được đồ thị của một số vật lý mà không cần bất kỳ phép đo nào, nhưng ngay lập tức trong quá trình thí nghiệm.

Một ví dụ thú vị về chủ đề này đã được nhà khoa học người Mỹ F. Wortman chứng minh vào năm 1977. Ở hình 3, ảnh chụp dòng chất lỏng trong cái gọi là lớp ranh giới được sao chép. Dưới đây bạn thấy một cái đĩa được nước cuốn đi và chuyển động từ trái sang phải với tốc độ 9 cm/s. Một sợi dây telur mỏng ở phía bên trái của hình ảnh, kéo dài vuông góc với tấm, được làm nóng bởi một xung điện ngắn hạn kéo dài vài mili giây. Một phản ứng hóa học với nước tạo ra một đám mây mỏng gồm các hạt kolyud, sau đó trôi theo dòng nước. Bức ảnh cho thấy vị trí của các hạt keo tại một thời điểm nào đó $t$, khi mỗi hạt keo đi qua một đường $u(y)t$ song song với tấm. Ở đây $u(y)$ là vận tốc hạt phụ thuộc vào tọa độ $y$ vuông góc với tấm.

*) Bạn có thể đọc về nhiều thí nghiệm với quả bóng bàn trong bài viết của A.V. Vyalko “Bóng bàn… trong chậu rửa mặt” («Kvant», 1985, số 3).

Như có thể thấy từ “đồ thị” thu được, ngay trên tấm, vận tốc chất lỏng bằng 0, và ở một khoảng cách xa hơn so với tấm, vận tốc có xu hướng đạt một giá trị không đổi bằng 9 cm/s. Tất cả các sự kiện được mô tả xảy ra trong một lớp mỏng chỉ dày 5 mm. Lớp gần thành như vậy, được hình thành trong chất lỏng không lỏng lắm, được gọi là lớp biên. Cái gọi là biên dạng vận tốc chất lỏng trong lớp biên, thu được bằng thực nghiệm, trùng khớp một cách đáng ngạc nhiên với biên dạng được tính toán. Trong thủy động lực học, những sự trùng hợp như vậy rất hiếm khi xảy ra.

3. Thí nghiệm của Reynolds

Một dòng chất lỏng phân lớp có trật tự, được gọi là tầng (từ tiếng Latin lamina - dải), một ví dụ về nó được thể hiện ở hình 3, trở nên không ổn định khi tốc độ ngày càng tăng và trở nên hỗn loạn

55

dòng chảy hỗn loạn (từ tiếng Latin turbulentus - mất trật tự).
Một khám phá đáng chú ý như vậy được thực hiện vào năm 1893 bởi nhà vật lý nổi tiếng người Anh O. Reynolds (1842-1912). Các thí nghiệm của ông được ghi lại không phải bằng ảnh mà bằng hình vẽ. Tuy nhiên, bản thân thiết lập thí nghiệm vẫn được bảo tồn tại Đại học Manchester, và ở thời đại chúng ta, tức là gần một trăm năm sau, thí nghiệm cổ điển của Reynolds đã được lặp lại và thu được những bức ảnh về dòng chất lỏng. Chúng được hiển thị ở hình 4.

Trong hình trên cùng, bạn có thể thấy rằng các mảnh nước màu được đưa vào ống thủy tinh sẽ chuyển động theo đường thẳng - dòng chảy là tầng. Hình ảnh tiếp theo cho thấy sự chuyển đổi từ dòng chảy tầng sang dòng chảy hỗn loạn - với tốc độ tăng lên. Hai hình ảnh còn lại cho thấy một dòng chảy hỗn loạn được xác định rõ ràng.

Sự thật sau đây thật thú vị. Ở Manchester hiện đại, giao thông trong thành phố đông đúc hơn trước. Vì vậy, tiếng ồn tulin này ảnh hưởng đến tốc độ tới hạn khi xảy ra quá trình chuyển đổi từ tầng sang hỗn loạn