v2.0.9792.42761
Fizyka dla każdego
Właściwości materii i płyny · 1 min czytania

Poiseuille — zadanie: zwężenie promienia o dwadzieścia procent

Opublikowano: 25.10.2026
Wyślij link e-mailem Własna poczta Komentarze: 0

W długiej rurce utrzymywano Q₀ = 5,0 ml/min przy spadku ciśnienia Δp₀ = 3,0 kPa. W nowej rurce promień jest mniejszy o 20%, a długość, ciecz i temperatura są takie same. W obu porównywanych stanach zakładamy ważność prawa Poiseuille’a i pomijamy straty w połączeniach.

a) Jaki przepływ i czas zebrania 50 ml otrzymamy przy zachowaniu Δp₀? b) Jaki spadek ciśnienia byłby potrzebny, aby zachować Q₀? c) Dlaczego nie można jednocześnie zadeklarować zachowania obu wielkości przy tej zmianie geometrii?

Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
Wskazówka

Promień po zmianie to 0,80a₀. Najpierw policz (0,80)⁴; spadek o 20% nie oznacza czterokrotnego spadku o 20%. W części b) odwróć ten czynnik.

Rozwiązanie

1. Ustalamy, co pozostaje stałe

Przy niezmienionych lepkości i długości prawo Poiseuille’a można zapisać jako Q = Ca⁴Δp, gdzie C jest stałym współczynnikiem. Pozwala to porównać stany bez znajomości bezwzględnego promienia:

\frac{Q}{Q_0}=\left(\frac{a}{a_0}\right)^4\frac{\Delta p}{\Delta p_0}.

2. Zachowana różnica ciśnień

Gdy Δp = Δp₀, iloraz przepływów wynosi 0,80⁴ = 0,4096. Nowa wartość to:

Q=5{,}0\cdot0{,}4096=2{,}048\ \mathrm{ml/min}.

Przepływ zmalał o 59,04%, a nie o 20% ani 80%. Przy utrzymanych warunkach zebranie 50 ml wymaga:

t=\frac{50}{2{,}048}\ \mathrm{min}\approx24{,}414\ \mathrm{min}.

Poprzednio ta objętość wymagała 10 min. Czas wzrósł o czynnik 1/0,4096 ≈ 2,4414; jest odwrotnie proporcjonalny do przepływu przy tej samej zbieranej objętości.

3. Zachowane natężenie wymaga większego napędu

Jeżeli Q = Q₀, iloraz spadków ciśnienia musi skompensować zmniejszenie a⁴:

\Delta p=\frac{\Delta p_0}{0{,}4096}=\frac{3{,}0}{0{,}4096}\ \mathrm{kPa}\approx7{,}324\ \mathrm{kPa}.

Wtedy czas zebrania 50 ml pozostanie równy 10 min. Jest to wymaganie dla źródła ciśnienia, a nie zapewnienie, że istniejący układ je spełni.

4. Jedno równanie wiąże trzy wielkości

Po zmianie promienia wzrasta opór hydrauliczny. Utrzymanie jednocześnie Q₀ i Δp₀ byłoby sprzeczne z przyjętym prawem dla tej samej cieczy i długości. Trzeba pozwolić zmienić się przepływowi, zwiększyć napęd albo zmienić inne parametry. Ponadto samo zachowanie laminarności zostało w zadaniu przyjęte: bez danych o gęstości, lepkości i średnicy nie można osobno policzyć liczby Reynoldsa.

Powiązana teoria

Przepływ Poiseuille’a: profil prędkości i czwarta potęga promienia

Dalsza lektura

Materiał referencyjny

Promień zmienia znacznie więcej niż pole

Najpierw przewiduj: Podwój promień przy tej samej różnicy ciśnień. Porównaj przepływ i sprawdź ponownie, czy założenia modelu są spełnione.

Zmieniaj jedną wielkość i porównuj wyniki

Paraboliczny profil prędkości cieczy w rurce.
Paraboliczny profil prędkości cieczy w rurce. Wybierz rysunek, aby otworzyć go w pełnym rozmiarze.

R = 1 mm, L = 1 m, η = 1 mPa·s, Δp = 100 Pa i ρ = 1000 kg/m³: Q ≈ 0,03927 ml/s, v średnia = 0,0125 m/s, Re = 25. Oszacowana długość wlotowa wynosi 0,0025 m.

Co oblicza model i gdzie kończą się jego założenia?

v(r)=\frac{\Delta p}{4\eta L}(R^2-r^2),\quad Q=\frac{\pi R^4\Delta p}{8\eta L}. Prędkość przy ściance jest zerowa, a średnia po przekroju równa połowie prędkości na osi. Przyjmujemy poziomą rurkę kołową, ciecz Newtonowską o stałej gęstości 1000 kg/m³ i lepkości, przepływ ustalony oraz w pełni rozwinięty.

Kontrola stosowalności korzysta z Re = ρvśr(2R)/η i oszacowania Lwlot ≈ 0,05 Re·2R. Przyjmujemy ostrożny warunek orientacyjny: Re < 2000 i Lwlot ≤ 0,1 L. Odcinek rozwijania profilu powinien zajmować niewielką część rurki, ponieważ powoduje dodatkowe straty ciśnienia. Ten próg nie oznacza błędu wyniku mniejszego niż 10% ani nie gwarantuje laminarności; zaburzenia i warunki wlotowe też mają znaczenie. Gdy próba nie przechodzi tej kontroli, ukrywamy profil jako niewiarygodną prognozę; Re jest wtedy tylko wartością wynikającą z testowanego modelu.

Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »

Ostatnie materiały autora

Wszystkie materiały autora »

Komentarze (0)

Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.

Dodaj komentarz

Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto

Emotikony

Zaznacz tekst i wybierz formatowanie lub użyj Ctrl/Cmd+B, I, U w polu komentarza. Znaczniki HTML nie są wykonywane.

Wybór wszystkich komentarzy obejmuje odpowiedzi. Powiadomienia wymagają potwierdzenia adresu; zrezygnujesz z nich przez link w wiadomości.

← Wróć do działu: Zadania Do góry ↑
Nie znalazłeś szukanego materiału? Napisz do nas — pomóż nam rozwijać Fizykę dla każdego.