Bernoulliho rovnice

Tento článek je o mechanice tekutin. O diferenciální rovnici pojednává článek Bernoulliho diferenciální rovnice.

Bernoulliova rovnice je vztah užívaný v mechanice tekutin, který odvodil Daniel Bernoulli a který vyjadřuje zákon zachování mechanické energie pro ustálené proudění ideální kapaliny (Energie je v rovnici obvykle přepočtena na objemovou jednotku kapaliny.).

${\displaystyle {\frac {1}{2}}\rho v^{2}+p+\rho u(\mathbf {x} )=\mathrm {konst.} }$

kde ${\displaystyle \rho }$ je hustota kapaliny, v je rychlost proudění, p je tlak v kapalině a u je potenciál vnějšího konzervativního pole objemové síly (gravitační síly, unášivé setrvačné síly nebo jejich kombinace, jako je tíhová síla) v daném bodě. První člen v Bernoulliově rovnici se nazývá dynamický n. kinetický tlak a představuje objemovou hustotu kinetické energie, druhý člen představuje tlakovou potenciální energii objemové jednotky kapaliny a třetí člen potenciální energii objemové jednotky kapaliny v silovém poli vnější konzervativní síly, v němž se kapalina nachází. Součet kinetické energie a potenciální energie (tlakové + vnější) v jednotce objemu je ve všech místech kapaliny stejný. Tato rovnice bývá často uváděna ve tvaru, který platí pro homogenní tíhové pole:

${\displaystyle {\frac {1}{2}}\rho v^{2}+p+\rho gh=\mathrm {konst.} }$

Platí, že pokud na kapalinu v klidu působí tíhová síla, je ve stejné hloubce v každém bodě stejný tlak. Pokud je kapalina v pohybu tak tento vztah neplatí. Slovy můžeme Bernoulliho jev popsat takto: v místě s větším průřezem má proudící kapalina větší tlak, ale menší rychlost, zatímco v místě s menším průřezem má menší tlak, ale větší rychlost (Fakt, že při větším průřezu je rychlost kapaliny menší, je důsledkem rovnice kontinuity.).

Odvození pro nestlačitelnou kapalinu

Diagram k odvození Bernoulliho rovnice

Pokud kapalina o elementu hmotnosti ${\displaystyle \mathrm {d} m}$ proudí ve vodorovné trubici o průřezu ${\displaystyle S}$ rychlostí ${\displaystyle v}$, platí pro ni pohybová rovnice:

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}\left(\mathrm {d} m\,v\right)=-\mathrm {d} F.}$

Rozepíšeme tuto rovnici tak, aby v ní vystupovala hustota a průřez trubice

${\displaystyle \rho S\,\mathrm {d} x\,{\frac {\mathrm {d} v}{\mathrm {d} t}}=-S\,{\frac {\mathrm {d} F}{S}}=-S\,\mathrm {d} p.}$

S využitím vztahu

${\displaystyle \mathrm {d} x{\frac {\mathrm {d} v}{\mathrm {d} t}}={\frac {\mathrm {d} x}{\mathrm {d} t}}\mathrm {d} v=v\mathrm {d} v=\mathrm {d} \left({\frac {v^{2}}{2}}\right)}$

tato rovnice přejde na

${\displaystyle \rho S\,\mathrm {d} \left({\frac {v^{2}}{2}}\right)=-S\,\mathrm {d} p,}$

tedy

${\displaystyle \mathrm {d} \left({\frac {\rho v^{2}}{2}}+p\right)=0,}$

což zintegrováním dá

${\displaystyle \rho {\frac {v^{2}}{2}}+p=\mathrm {konst.} }$

Pokud se navíc nacházíme v poli nějaké vnější konzervativní objemové síly (např. gravitace), přičteme jeho potenciál ${\displaystyle \rho u}$ (na jednotku objemu) k tlakovému potenciálu, čímž přímočaře získáme rovnici

${\displaystyle \rho {\frac {v^{2}}{2}}+p+\rho u(\mathbf {x} )=\mathrm {konst.} }$

Poněkud přímější odvození vychází ze zákona zachování energie. U kapalin uvažujeme potenciální energii tlakovou E_p = pV.

Za předpokladu, že E_k + E_p + E_g = konst., potom platí

${\displaystyle {\frac {1}{2}}mv^{2}+pV+mgh=\mathrm {konst.} }$

vztažením energie na jeden kilogram kapaliny (vydělením hmotností) dostaneme tzv. energetický tvar rovnice:

${\displaystyle {\frac {1}{2}}v^{2}+{p \over \rho }+gh=\mathrm {konst.} }$

nebo (vydělením objemem) tlakový tvar:

${\displaystyle {\frac {1}{2}}\rho v^{2}+p+\rho gh=\mathrm {konst.} }$

případně původní výškový tvar (vydělením tíhou):

${\displaystyle {v^{2} \over 2g}+{p \over \rho g}+h=\mathrm {konst.} }$

Důsledky

Z Bernoulliho rovnice vyplývá, že statický tlak proudící kapaliny klesá s rostoucí rychlostí. Pokud plyn proudí trubicí dostatečnou rychlostí, tlak v tom místě se natolik zmenší, že toho lze využít například pro odsávání. Tomuto jevu se říká hydrodynamický paradox (hydrodynamické paradoxon) a využívá se ho například u rozprašovačů, natěračských stříkacích pistolí, ejektorů nebo v karburátoru.

Výtoková rychlost

Ze zákona zachování energie lze také odvodit vztah pro výtokovou rychlost kapaliny při vytékání malým otvorem z nádoby s hladinou ve výšce h, neboť lze říci, že výtoková rychlost ideální kapaliny je stejná jako rychlost, kterou by kapalina získala při volném pádu z výšky h:

${\displaystyle v={\sqrt {2gh}}}$

- tzv. Torricelliho vzorec

Související články

• Proudění
• Hydrodynamika
• Násoska

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Bernoulliho rovnice na Wikimedia Commons