Dòng chảy có quen thuộc với bạn không?

32

Trong môi trường truyền sóng, một lực ép xuất hiện theo hướng truyền của nó, lực này tại một điểm bất kỳ bằng số lượng năng lượng chứa ở đó trên một đơn vị thể tích. James Thư Ký Maxwell

Trong chừng mực sự chuyển động của năng lượng và chuyển động của vật chất nén được xác định bởi định luật bảo toàn chúng, chúng ta có quyền ví sự chuyển động của năng lượng với chuyển động của vật chất linh động và nén được. Nikolay Umov

Có một định luật chung về truyền năng lượng, theo đó năng lượng tại một điểm bất kỳ chuyển động vuông góc với mặt phẳng chứa các đường sức điện và từ.

lực… Hướng của dòng khí trùng với hướng chuyển động của cánh quạt bên phải. John Henry Poynting

…nếu từ thông đi qua vòng dây…thay đổi theo thời gian, thì emf bằng tốc độ thay đổi của từ thông. Từ nay trở đi chúng ta sẽ gọi đây là “quy tắc dòng chảy”. Richard Feynman

…các tính chất của ánh sáng được bộc lộ rõ ​​nhất trong các điều kiện giới hạn của sự phát triển của một hiện tượng hoặc nghiên cứu về nó: khi nghiên cứu các luồng ánh sáng cực yếu… Sergey Vavilov

Bạn có thực sự quen thuộc với điều này?

?

suối

Tất nhiên, nếu bạn hạn chế xem qua sách giáo khoa ở trường một cách hời hợt, bạn sẽ không phát hiện ra ngay khái niệm dòng chảy xuất hiện ở đâu. Đúng, có một dòng cảm ứng từ, và cũng có một dòng năng lượng điện từ có mật độ dòng. Đó là tất cả? Tất nhiên là không. Khái niệm dòng chảy thâm nhập vào hầu hết các lĩnh vực vật lý, hầu hết các trường hợp vẫn còn nằm trong bóng tối một cách khiêm tốn. Ví dụ, khi xem xét chuyển động của chất lỏng và chất khí, sự chuyển dịch của vật chất là điều đầu tiên thu hút sự chú ý, nhưng gắn liền với nó, mặc dù không quá rõ ràng, là dòng động lượng và năng lượng. Khi một dòng điện chạy qua, trước tiên chúng ta theo dõi quá trình truyền điện tích, không phải lúc nào cũng đoán được tại sao dây dẫn nóng lên. Năng lượng lan truyền như thế nào trong quá trình dẫn nhiệt, nó được phân bố như thế nào trong các dòng sóng có tính chất khác nhau? Tiếp tục hành trình cẩn thận hơn qua các chương của giáo trình vật lý, chúng ta sẽ tìm thấy trong đó nhiều biểu hiện thú vị hơn về khái niệm phổ quát về dòng chảy. Ngoài ra, người ta còn phải giải quyết vấn đề này nhiều lần và vượt xa phạm vi sách giáo khoa: truyền khối và truyền nhiệt trong lò phản ứng hóa học; dòng tia phản lực thoát ra từ động cơ; bơm dầu, khí qua đường ống; dòng hạt tích điện được tạo ra một cách nhân tạo trong máy gia tốc hoặc bay về phía chúng ta từ không gian; luồng ánh sáng từ Mặt trời, các ngôi sao và thiết bị chiếu sáng; dòng hải lưu và sự lưu thông của bầu khí quyển của Trái đất và các hành tinh khác… Tuy nhiên, có đủ ví dụ. Đã đến lúc khái niệm dòng chảy được đưa lên hàng đầu trong “Kính vạn hoa” của chúng tôi - chúng tôi hy vọng rằng bạn sẽ không chỉ quan tâm đến việc nhận ra sự tham gia của khái niệm dòng chảy trong nhiều tình huống vấn đề khác nhau mà còn trong việc giải quyết chúng với sự trợ giúp của nó.

Các câu hỏi và bài toán 1. Khi đi qua các khe hở bên dưới các tòa nhà cao tầng, trong mái vòm và cổng vào, tốc độ gió đôi khi đạt đến mức áp lực của nó có thể hất ngã một người. Điều gì gây ra điều này? 2. Nếu không khí được thổi qua một ống nằm ngang, như hình hình, thì ở một tốc độ nhất định, nước sẽ bắt đầu dâng lên trong ống thẳng đứng bên phải và bọt khí sẽ thoát ra khỏi ống thẳng đứng bên trái. Tại sao? 3. Nếu hai tàu đang chạy song song ở khoảng cách gần nhau thì chúng bắt đầu tiếp cận nhau. Làm thế nào để giải thích điều này? 4. Lý tưởng, tức là không thể nén được và không có độ nhớt, chất lỏng chảy quanh quả bóng. Chứng minh rằng lực do chất lỏng tác dụng lên quả bóng bằng không. 5. Tại sao một sợi dây đồng mỏng tan chảy trong ngọn lửa nến, nhưng một thanh đồng dày thậm chí không nóng lên đến nhiệt đỏ? 6. Nước có sôi trong nồi nhỏ nổi trong nồi lớn có nước sôi không? Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn đun sôi nước trong một cái chảo lớn trước? 7. Bình giữ nhiệt nào có lợi hơn ở cùng chiều cao và dung tích: tròn hay vuông? 8. Nước trong bình được đun nóng trên bếp điện ở công suất không đổi. Cái nào mất nhiều thời gian hơn: làm nóng từ 10 đến 20 °C hay từ 80 đến 90 °C? 9. Hai thanh cacbon được hạ xuống dung dịch đồng sunfat, trên một thanh đồng sẽ lắng đọng trong quá trình điện phân. Tại sao lớp đồng dày nhất lại nằm ở phần bề mặt của nó đối diện với thanh kia? 10. Dòng điện cảm ứng có xuất hiện trong khung ABCD không nếu khung: a) quay tương ứng với một dây dẫn đứng yên có dòng điện OO ¢, như minh họa trong hình; b) quay quanh cạnh AB; c) quay quanh thành tàu bay; d) di chuyển dần dần theo hướng thẳng đứng; e) di chuyển dần dần theo hướng nằm ngang? 11. Một đĩa đồng quay được nối với dây dẫn đứng yên ABCD bằng các tiếp điểm trượt A và D, như hình hình. Đĩa và

33

dây dẫn nằm trong từ trường đều vuông góc với mặt phẳng hình vẽ. Từ thông qua mạch ABCDA có thay đổi khi đĩa quay không? Dây dẫn ABCD có mang dòng điện không? 12. Một nam châm bị đẩy vào cuộn dây bị ngắn mạch: một lần nhanh, một lần chậm. Trong trường hợp nào nhiệt lượng tỏa ra trong cuộn dây nhiều hơn? Trong trường hợp nào điện tích chạy qua cuộn dây nhiều hơn? 13. Vòng siêu dẫn có dòng điện bị xoắn lại, biến nó thành “hình số tám” gồm hai vòng giống hệt nhau. Sau đó, hình số tám được gấp lại để thu được một vòng đôi. Cảm ứng từ trường ở tâm vòng sẽ thay đổi như thế nào so với ban đầu? 14. Tần số dao động của một sóng điện từ phải tăng lên bao nhiêu lần để khi di chuyển ra xa nguồn đến một khoảng cách gấp đôi ban đầu thì cường độ sóng điện từ không thay đổi? 15. Tại sao việc tăng phạm vi liên lạc vô tuyến với tàu vũ trụ lên gấp 2 lần lại đòi hỏi phải tăng công suất máy phát lên 4 lần và tăng phạm vi liên lạc của radar lên 2 lần lại yêu cầu tăng công suất phát lên 16 lần? Bỏ qua sự hấp thụ năng lượng của môi trường. 16. Một chùm bức xạ điện từ song song rơi vào một lỗ tròn trên một màn chắn mờ. Tại sao khi bán kính của lỗ tăng lên, tại một điểm nào đó trên trục của lỗ có thể quan sát thấy cường độ bức xạ giảm đi, mặc dù thông lượng của nó qua lỗ tăng? 17. MV Lomonosov lập luận rằng kính thiên văn không chỉ làm tăng kích thước biểu kiến ​​của các vật thể ở xa mà còn tăng cường lượng ánh sáng phát ra từ nguồn mà mắt cảm nhận được. Làm thế nào điều này có thể được giải thích? 18. Nên đặt một bóng đèn điện, một gương cầu lõm và một thấu kính hội tụ như thế nào để thu được quang thông có cường độ lớn nhất?

Kinh nghiệm vi mô

Đổ đầy nước nóng vào bồn tắm và kính. Sử dụng nhiệt kế và đồng hồ để xem nước nguội nhanh hơn ở đâu. Giải thích quan sát của bạn.

– khẩn cấp bài toán, vì dòng chảy bị ngưng trệ có thể đi kèm với lực nâng của cánh giảm mạnh, lực cản của cánh tăng lên, đôi khi dẫn đến hậu quả thảm khốc. …trong nghiên cứu về điện, Ohm lấy cảm hứng từ tác phẩm “Lý thuyết phân tích nhiệt” của Fourier. Ông đã nảy ra ý tưởng rằng cơ chế truyền nhiệt được thảo luận trong công trình này có thể giống như dòng điện trong một dây dẫn, và trong một trong những công thức định luật của mình, ông đã đưa ra khái niệm về mật độ dòng điện, hay nói cách khác là mật độ từ thông của một điện tích. …việc bảo vệ luận án tiến sĩ năm 1874 của nhà khoa học người Nga Umov đã đi kèm với một cuộc tranh luận kéo dài sáu giờ. Những người phản đối chỉ trích các khái niệm mới do Umovov đề xuất: tốc độ và hướng chuyển động của năng lượng, dòng năng lượng và mật độ của nó tại một điểm nhất định trong môi trường. Mười năm sau, nhà vật lý người Anh Poynting giới thiệu vectơ mật độ dòng năng lượng điện từ. Ngày nay vectơ này được gọi là vectơ Umov–Poynting. …cường độ bức xạ khả kiến ​​từ một bóng đèn trăm watt ở khoảng cách 3 m là xấp xỉ 2 H $10^{-} 6$ W $см^{2}$. Để so sánh, giá trị trung bình của cái gọi là hằng số mặt trời - cường độ ánh sáng mặt trời gần bề mặt trái đất - cao hơn 0,1 W $см^{2}$ một chút và khi tập trung chùm tia từ tia laser phát ra liên tục, có thể đạt được cường độ $10^{10}$ W $см^{2}$. Laser titan-sapphire được sử dụng trong các thí nghiệm nhiệt hạch có khả năng tạo ra các xung siêu ngắn với cường độ lên tới $10^{18}$ W $см^{2}$. …cường độ âm thanh tối thiểu mà tai người vẫn có thể cảm nhận được là khoảng $10^{-16}$ W $см^{2}$ ở tần số âm thanh 3 kHz. Ngưỡng nhạy cảm của mắt là gần như nhau - mắt có khả năng phản ứng với các luồng năng lượng ánh sáng ở mức 3 H $10^{-} 17$ W $см^{2}$. Và các máy thu sóng vô tuyến hiện đại có thể “nghe thấy” một đài có cường độ sóng tại vị trí thu chỉ đạt $10^{-18}$ W $см^{2}$. … “cường độ sao” và “độ chói” - đặc điểm của các thiên thể được sử dụng trong thiên văn học - không gì khác hơn là những phương pháp xác định năng lượng của dòng bức xạ, tức là cường độ của chúng. Chúng xuất hiện ngay cả trước khi xuất hiện các khái niệm về “quang thông” và “độ chiếu sáng”.

Nội dung cần đọc trong «Kvant» về luồng

Thật thú vị rằng…

(xuất bản những năm gần đây)

…Daniel Bernoulli, người đầu tiên mô tả chuyển động của một chất lỏng lý tưởng, đã vẽ ra nhiều loại bài toáns thủy động lực học, bao gồm cả từ sinh lý học. Khi còn trẻ, khi học y khoa, ông đã quan tâm đến việc xác định tốc độ dòng máu trong mạch máu và ảnh hưởng của huyết áp đến bản chất của chuyển động này. …bản chất của cái gọi là nghịch lý D’Alembert-Euler nằm ở chỗ một dòng khí không có ma sát trong (một “chất lỏng lý tưởng”) tác dụng lên một vật có hình dạng bất kỳ với các lực có tổng bằng 0. Trong không khí đã mất độ nhớt, cả máy bay và trực thăng đều không thể cất cánh, vì lực nâng của cánh và lực đẩy của cánh quạt sẽ bằng không. …một trong những hiện tượng cơ bản của cơ học chất lỏng và khí là sự phân tách dòng chảy, khi môi trường ở gần các vật thể thuôn khí, chẳng hạn như cánh của máy bay và phương tiện bơi lội, ngừng chuyển động dọc theo bề mặt của chúng và di chuyển ra khỏi bề mặt đó. Học cách quản lý hiện tượng này

1. “Năng lượng chảy từ đâu: khám phá này đến khám phá khác” – 2003, số 5, tr. 31; 2. “Kính vạn hoa «Kvant» – 2004, Số 3, trang 32; 2005, Số 5, trang 32; 2007, Số 5, trang 32; 2008, Số 1, trang 32; Số 3, trang 32; Số 5, trang 32; 3. “Từ thông của một chất siêu dẫn” – 2004, Phụ lục số 4, trang 38, 4. “Làm thế nào một cái vạc được chôn trong lòng đất” - 2004, Phụ lục số 4, trang 72; 5. “Cái lạnh vũ trụ khủng khiếp này” - 2005, Phụ lục số 6, trang 180, 6. “Định luật cảm ứng điện từ” – 2006, số 5, tr. 36; 7. “Sóng vô tuyến mang năng lượng và động lượng” – 2007, Phụ lục số 1, trang 22; “Lực từ và định luật cảm ứng điện từ” – 2008, Số 5, trang 38; 51.

Tài liệu do A. Leonovich chuẩn bị