Fluids - North Allegheny€¦ · 3Fluids.notebook 32 May 08, 2014 Bernoulli's Principle Daniel...

36
3Fluids.notebook 1 May 08, 2014 Fluids mass volume density = ρ = m V

Transcript of Fluids - North Allegheny€¦ · 3Fluids.notebook 32 May 08, 2014 Bernoulli's Principle Daniel...

3­Fluids.notebook

1

May 08, 2014

Fluids   mass     volumedensity =

ρ = mV

3­Fluids.notebook

2

May 08, 2014

3­Fluids.notebook

3

May 08, 2014

Pressureforce per unit area

P = FA

unit: N / m2 = Pascal (Pa)

3­Fluids.notebook

4

May 08, 2014

3­Fluids.notebook

5

May 08, 2014

3­Fluids.notebook

6

May 08, 2014

3­Fluids.notebook

7

May 08, 2014

Fluid exerts a pressure in all directions.

Consider a tiny cube of water.

Pressure is the same on all sides of the cube.  What if it wasn't?

3­Fluids.notebook

8

May 08, 2014

Force due to the fluid pressure always acts PERPENDICULAR 

to the surface with which it is in contact.  

What would happen if the water pushed on the glass at an angle, like this?

The glass would push back (action­reaction), and this reaction would cause the water to flow. 

3­Fluids.notebook

9

May 08, 2014

Calculating Pressure at a Given Depth

take a point at a depth of "h" in a fluid

pressure there is due to weight of the column above it

so, F = mg =ρV =ρAhg

3­Fluids.notebook

10

May 08, 2014

3­Fluids.notebook

11

May 08, 2014

3­Fluids.notebook

12

May 08, 2014

Pascal's Principle

The pressure applied to a confined fluid increases the pressure throughout 

by the same amount.

The Blob (scrub to 1:00)

3­Fluids.notebook

13

May 08, 2014

3­Fluids.notebook

14

May 08, 2014

How can a person, with a realistic force, 

stop a car?

3­Fluids.notebook

15

May 08, 2014

3­Fluids.notebook

16

May 08, 2014

3­Fluids.notebook

17

May 08, 2014

3­Fluids.notebook

18

May 08, 2014

Buoyancyupward force exerted by a fluid on an object contacting the fluid

coin in water coin "in" mercury

As you can see, shape and density have something to do with buoyancy.

3­Fluids.notebook

19

May 08, 2014

How strong is the buoyant force (Fb)?

Fb = F2 ­ F1= ρgAh2 - ρgAh1

= ρgA (h2 - h1)

= ρgV

= m g

Fb = Weight of fluid displaced

3­Fluids.notebook

20

May 08, 2014

Archimedes' Principle

(287? ­ 212 BC)

The buoyant force on a body immersed in a fluid is equal to the weight of the 

fluid displaced by the object. 

3­Fluids.notebook

21

May 08, 2014

3­Fluids.notebook

22

May 08, 2014

3­Fluids.notebook

23

May 08, 2014

3­Fluids.notebook

24

May 08, 2014

3­Fluids.notebook

25

May 08, 2014

Fluid Dynamicsstudy of fluids in motion

3­Fluids.notebook

26

May 08, 2014

eddies

occurs when a fluid flows in parallel layers, with no disruption between the layers

Laminar Flow

3­Fluids.notebook

27

May 08, 2014

Fluid Dynamicsstudy of fluids in motion

eddies

occurs when a fluid flows in parallel layers, with no disruption between the layers

Laminar Flow

3­Fluids.notebook

28

May 08, 2014

Volume Flow Rate = Q = volume time

Q =     =         = A vA Δlt

Vt

Q =     = A vVt

Take for example this reduced pipe:

rate of flow into pipe = rate of flow out of pipe

Why?mass of water into pipe = mass of water out of pipe       (per unit of time)                            (per unit of time)

m1   m2t1      t2=

ρ1 V1  ρ2 V2t1      t2=

ρ1A1Δl1   ρ2A2Δl2     t1               t2

=

Q =     =         = A vA Δlt

Vt

ρ1A1v1  = ρ2A2v2             

Equation of Continuity 

when fluid is incompressible, ρ doesn't change

A1v1  = A2v2             

special case of the Equation of Continuity

3­Fluids.notebook

29

May 08, 2014

Based on the equation of continuity, why does a hose shoot farther when you put your thumb over the end?

3­Fluids.notebook

30

May 08, 2014

3­Fluids.notebook

31

May 08, 2014

ρ A v

ρ A v= same size areas

3­Fluids.notebook

32

May 08, 2014

Bernoulli's Principle

Daniel Bernoulli1700­1782Swiss

Beach Ball in Fan

Ping­pong ball in faucet

Where the velocity of a fluid is high, the pressure is low, and 

where the velocity of a fluid is low, the pressure is high.

3­Fluids.notebook

33

May 08, 2014

Bernoulli's Equation

W1 = F1 Δx1

= P1A1Δx1

W2 = ­F2 Δx2

= ­P2A2Δx2

There is also work done by gravity:

W3 = ­mg(y2 ­ y1)

Wnet =   W1   +   W2   +   W3

ΔKE = P1A1Δx1 ­ P2A2Δx2 ­ mg(y2 ­ y1)

Consider the works done on the water flowing uphill in the pipe.

1/2 mv22 - 1/2 mv12 = P1A1Δx1 ­ P2A2Δx2 ­ mgy2 + mgy1

1/2 ρA2x2v22-1/2 ρA1x1v12 = P1A1Δx1 ­ P2A2Δx2 ­ ρA2x2gy2 + ρA1x1gy1

1/2 ρv22-1/2 ρv12 = P1 ­ P2 ­ ρgy2 + ρgy1

P1+1/2 ρv12 + ρgy1=   P2 + 1/2 ρv22 +ρgy2 

Bernoulli's Equation

3­Fluids.notebook

34

May 08, 2014

3­Fluids.notebook

35

May 08, 2014

P1 = P2   and   v2≈0b)

P1+1/2 ρv12 + ρgy1  =   P2 + 1/2 ρv22 +ρgy2 

1/2 v12 + gy1   =   gy2 

v1 =   2g(y2 ­ y1)Torricelli's Theorem

(1608–1647)Evangelista Torricelli

Italian Student of Galileo

3­Fluids.notebook

36

May 08, 2014