Как закон сохранения энергии помогает или мешает аэродинамике?

Сегодня поговорим о достаточно известном законе, который окружает нас чаще, чем кажется, – о законе Бернулли. Те, кто знает, освежат его в памяти, а кто не знает – откроет для себя много нового

Этот закон объясняет, почему проезжающая мимо стоящего автомобиля фура раскачивает его, а также почему нельзя стоять близко к краю платформы, когда мимо проезжает поезд.

Я уже упоминал в своих недавних рассуждениях о том, почему образовываются пробки, уравнение неразрывности струи, согласно которому проходящая через меньшее сечение жидкость движется с большей скоростью, т.к. через любое сечение потока за одно и то же время проходит одинаковая масса. Но что если я скажу, что к этому утверждению добавляется тот факт, что в потоке жидкости или газа, движущихся с большей скоростью, уменьшается давление? Это и есть закон Бернулли. Таким образом, получается, что если воздух двигается быстро, то в месте его движения образуется небольшое разрежение (а может, и большое, смотря какая скорость).

Если пытаться объяснить закон на молекулярном уровне, то мы ступим на не очень популярную дорожку. Дело в том, что Бернулли вывел свой закон из закона сохранения энергии классической Ньютоновской механики в 1738 году, рассматривая то, как движутся жидкости, принимая их за сплошную среду. В это время еще не было четкого представления о том, что все вещества состоят из молекул. Молекулярно-кинетическая теория, связывающая закономерности движения молекул по классическим законам с такими макроскопическими параметрами, как давление, температура и пр., была создана всякими Клаузиусами, Максвеллами и Больцманами только спустя полтора века.

Но если все-таки пытаться натянуть сову на глобус МКТ на гидродинамику, то надо вспомнить, что давление с молекулярной точки зрения создается ударами этих молекул о стенку сосуда. И чем больше ударов, тем больше давление. Если мы представим поток жидкости, текущей в трубе с определенной скоростью, то всегда будут присутствовать молекулы, скорость которых направлена строго туда, куда течет жидкость, и те, у которых скорость отклонена от этого направления на какой-то угол. Вторые при этом неизбежно будут врезаться в стенку и оказывать давление. Так вот, чем больше скорость потока жидкости, тем меньше в ней присутствует молекул, скорость которых отклонена от направления потока, т.е. большинство молекул двигаются в этом направлении, а значит, меньше будет ударов о стенку и, тем самым, меньше давление.

Когда мимо нас проезжает поезд на большой скорости, между нами и поездом создается разрежение воздуха (область пониженного давления). В то же время с обратной стороны давление остается неизменным. Эта разность давлений создает силу, направленную в сторону поезда. Таким образом, согласно закону Бернулли, нас буквально засасывает под поезд.

Аналогичная ситуация происходит и с фурой, проезжающей мимо стоящего автомобиля: движущийся между ними поток воздуха пытается притянуть автомобиль к фуре. Крыло самолета работает в том числе и благодаря закону Бернулли, когда из-за специфической формы создается более быстрый поток (а, значит, меньшее давление) вверху крыла, и возникает подъемная сила.

Есть еще много примеров, где можно наблюдать закон Бернулли, и я оставлю их поиск вам. Пишите в комментариях свои примеры и пересылайте тем, кто не знал, почему нельзя заходить за начерченную на платформе линию.

Кстати, в московских Кузьминках есть паб под названием «Закон Бернулли». Но никакой тематической атрибутики я там не увидел.