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(mén)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(kāi)始，流體力學(xué)在人類(lèi)的日常生活及生產(chǎn)事業(yè)中占有越來(lái)越重要的地位．

流體力學(xué)主要研究對(duì)象是氣體和液體，而空氣和水是生活中最常見(jiàn)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(shí)．在不斷發(fā)展的過(guò)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(shí)時(shí)，引入了流線(xiàn)的概念來(lái)描述流體的運(yùn)動(dòng)．流線(xiàn)是為了形象描述流體人為畫(huà)出的曲線(xiàn)，在實(shí)際流體中并不可見(jiàn)．我們?cè)O(shè)計(jì)制作了一臺(tái)水的流線(xiàn)演示實(shí)驗(yàn)裝置，能夠直觀(guān)地看到水的流動(dòng)狀態(tài)，加深對(duì)流體流線(xiàn)相關(guān)理論知識(shí)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(xiàn)或跡線(xiàn)來(lái)進(jìn)行描述．跡線(xiàn)是某一流體質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中某連續(xù)的時(shí)間段內(nèi)所占據(jù)空間點(diǎn)的連線(xiàn)，即流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡．流線(xiàn)是指在某一瞬間在流速場(chǎng)中由無(wú)數(shù)質(zhì)點(diǎn)所組成的一條平滑的曲線(xiàn)，曲線(xiàn)上任意質(zhì)點(diǎn)在該瞬時(shí)的速度矢量都與此曲線(xiàn)相切(圖1)．如果描繪出空間的各點(diǎn)在同一瞬間的流線(xiàn)，那么將這些流線(xiàn)綜合起來(lái)就可以描繪出整個(gè)空間在這一瞬間流場(chǎng)的流動(dòng)現(xiàn)象．

圖1 流線(xiàn)

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

當(dāng)這些流場(chǎng)跡線(xiàn)經(jīng)過(guò)不同形狀的障礙物周?chē)鷷r(shí)，就可以直觀(guān)地反映出流場(chǎng)的分布規(guī)律以及流線(xiàn)的特征和性質(zhì)(圖2)．這樣對(duì)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(xiàn)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(xiàn)繞過(guò)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(xiàn)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?jī)?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(guò)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(xiàn)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(guò)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(guān)察．

夾層最下端裝有一個(gè)帶開(kāi)關(guān)閥的排水管，可以通過(guò)控制閥門(mén)開(kāi)關(guān)的大小的來(lái)控制從頂部水槽經(jīng)過(guò)入水小孔流過(guò)夾層的水流的流動(dòng)速度．

圖4 流線(xiàn)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(mǎn)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(guān)、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(lái)，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(mén)打開(kāi)，在實(shí)驗(yàn)裝置頂部的兩個(gè)水槽注入清水，水會(huì)通過(guò)頂部水槽與夾層間的小孔流入夾層，待夾層內(nèi)充滿(mǎn)水后，關(guān)閉排水管閥門(mén)．

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(guò)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?jī)蓚€(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(kāi)排水管閥門(mén)，使水流穩(wěn)定地向下流動(dòng)，清水和帶顏色的水通過(guò)交錯(cuò)排布的入水小孔流進(jìn)水流夾層并繞過(guò)障礙物流動(dòng)，就會(huì)出現(xiàn)一系列穩(wěn)定的有色流線(xiàn)線(xiàn)條．

更換不同形狀的障礙物模型能夠觀(guān)察到相應(yīng)的流線(xiàn)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(duì)比觀(guān)察．

圖6 不同障礙物周?chē)牧骶€(xiàn)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(xiàn)的線(xiàn)條將更加明顯(圖7)．

圖7 流線(xiàn)演示實(shí)驗(yàn)裝置的演示效果

5 結(jié)束語(yǔ)

本演示實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)合理、外形美觀(guān)、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(xiàn)和障礙物周?chē)鲌?chǎng)分布狀況直觀(guān)地顯現(xiàn)出來(lái)，將不可見(jiàn)的流線(xiàn)展現(xiàn)在眼前，加深學(xué)生對(duì)流體性質(zhì)的認(rèn)識(shí)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(shí)的興趣．