伯努利定律

伯努利定律是流體力學中的一個定律，由瑞士流體物理學家丹尼尔·伯努利於1738年出版他的理論《Hydrodynamica》，描述流體沿著一條穩定、非粘滯、不可壓縮的流線移動行為。

在流體動力學，伯努利原理指出，無粘流的流體的速度增加時，流體的壓力能與位能總和將減少。

伯努利原理可以應用到不同類型的流體流動，從而是可廣泛套用的伯努利方程表示式。事實上，有不同類型的流的伯努利方程的不同形式的。伯努利原理的簡單形式是有效的不可壓縮流動（如最液體流動），也為移動可壓縮流體（如氣體）在低馬赫數（通常小於0.3）。更先進的形式可被應用到在某些情況下，在更高的馬赫數（見伯努利方程的推導）可壓縮流。

伯努利原理可以從能量守恆原則來推演。說明如下：在一個穩定的水流，沿著一直線流向的所有點上，各種形式的流體機械能總和必定相同。也就是說，動能，位能，與內能的總和保持不變。換言之，任何的流體速度增加，即代表動態壓力和單位體積動能的增加，而在同時會導致其靜態壓力，單位體積流體的位能、內能等三者總和的減少。如果液體流出水庫，在各方向的流線上，各種形式的能量的總和是相同的；因為每單位體積能量的總和（即壓力和單位體積流體的重力位能 ρgH 的總和）在水庫內的任何位置都相同。

伯努利原理，也可以直接由牛頓第二定律推演。說明如下：如果從高壓區域往低壓區域，有一小體積流體沿水平方向流動，小體積區域後方的壓力自然比前方區域的壓力更大。所以，此區域的力量總和必然是沿著流線方向向前。在此假設，前後方區域面積相等，如此便提供了一個正方向淨力施於原先設定的流體小體積區域，其加速度與力量同方向。此假想環境中，流體粒子僅受到壓力和自己質量的重力之影響。先假設如果流體沿著流線方向作水平流動，並與流體流線的截面積垂直，因為流體從高壓區域朝低壓區域移動，流體速度因此增加；如果該小體積區域的流速降低，其唯一的可能性必定是因為它從低壓區朝高壓區移動。因此，任一水平流動流體之內，壓力最低處有最高流速，壓力最高處有最低流速。

物理量及定律[编辑]

原表達形式[编辑]

\frac{1}{2}\rho v^2 + \rho g h + p = \mbox{constant}.

v=\;

流體速度

g=\;

地表的重力加速度(地球)

h=\;

流體處於的高度(從某參考點計)

p=\;

流體所受的壓力強度

\rho=\;

流體質量密度

\mbox{constant}=\;

常數

定理假設（Assumptions）[编辑]

使用伯努利定律必須符合以下假設，方可使用；如沒完全符合以下假設，所求的解也是近似值。

定常流（或稱穩定流，Steady flow）：在流動系統中，流體在任何一點之性質不隨時間改變
不可壓縮流（Incompressible flow）:密度為常數，在流體為氣體適用於馬赫數(M)<0.3
無摩擦流（Frictionsless flow）:摩擦效應可忽略，忽略黏滯性效應
流體沿著流線流動（Flow along a streamline）:流體元素（element）沿著流線而流動，流線間彼此是不相交的

推論過程[编辑]

考慮一符合上述假設的流體，如圖所示：

流體因受壓力的推動而得之能量：

F_{1} s_{1}-F_{2} s_{2}=p_{1} A_{1} v_{1}\Delta t-p_{2} A_{2} v_{2}\Delta t.\;

流體因重力做功所損失的能量：

m g h_1-m g h_2 = \rho g A_1 v_1 \Delta t h_1 -\rho g A_2 v_2 \Delta t h_2.\;

流體所得的動能可以改寫為：

\frac{1}{2} m v_2^2 - \frac{1}{2} m v_1^2 = \frac{1}{2} \rho A_2 v_2 \Delta t v_2^2 - \frac{1}{2} \rho A_1 v_1 \Delta t v_1^2

根據能量守恆定律，流體因受力所得的能量＋流體因重力做功所損失的能量＝流體所得的動能。

p_1 A_1 v_1 \Delta t - p_2 A_2 v_2 \Delta t + \rho g A_1 v_1 \Delta t h_1 - \rho g A_2 v_2 \Delta t h_2 = \frac{1}{2} \rho A_2 v_2 \Delta t v_2^2 - \frac{1}{2} \rho A_1 v_1 \Delta t v_1^2

\frac{ \rho A_1 v_1 \Delta t v_1^2}{2} + \rho g A_1 v_1 \Delta t h_1 + p_1 A_1 v_1 \Delta t = \frac{ \rho A_2 v_2 \Delta t v_2^2}{2} + \rho g A_2 v_2 \Delta t h_2 + p_2 A_2 v_2 \Delta t.

由連續方程式可知：

A_1 v_1 = A_2 v_2 = \mbox{const}.

令 $\mbox{const}.=\Delta V \;$

從等式兩邊除以 $\Delta t \;$ 及 $\Delta V \;$ 可得：

\frac{1}{2}\rho v^2 + \rho g h + p = \mbox{const}.

或

\frac{v^2}{2g} + h + \frac{p}{\rho g} = \mbox{const}.

特例：托里切利定律[编辑]

當液體因受到地心吸力的作用而流出時，其速率等於 $\sqrt{2gh}$ ，其中 $g$ 為引力加速度， $h$ 為開口的中心和液體最高面的距離。這個速率剛好等於液體從離地 $h$ 的地方以自由落體的方式下落時，的著地前的速率（但實際上因為有空氣阻力，所以實際情形一般不會以自由落體的方式下落）。

伯努利定律演示實驗[编辑]

伯努利定律可以使用非常簡單的器材演示出其作用，例如使用人體口部藉由吸管吹送氣流的方式，因為空氣黏滯係數低，因此口腔內的壓力只略大於外界大氣壓力，且空氣流速小於0.3馬赫，因此現象能夠簡單的以伯努力定律來近似。

因伯努利定律而懸浮的保麗龍球

懸浮保麗龍球，將可折彎的吸管一端向上穩定吹出氣體，將一直徑約3公分之保麗龍球放置於氣柱上，保麗龍球能夠懸浮晃動於一定區域中，此乃因氣柱部份速度快而使保利龍球被氣柱所吸引，且氣柱之正向壓力在某高度時和保麗龍球之重量相當所致。

簡易噴槍

運作中的簡易噴槍
簡易噴霧器，以大吸管固定兩隻小吸管使之夾角略小於直角，因從吸管吹出之氣體流速較快，壓力較一大氣壓力為低，因此能夠將水經由下端吸管中吸起，並於開口處加速破碎成霧滴，模型製作用噴槍以及工業用噴漆噴槍多為此種設計。

可壓縮流體的白努利定律[编辑]

白努利從觀察液體的行為中推導出白努利方程式，但他的方程是只能應用在不可壓縮的流體還有雖然可壓縮但流速非常慢的流體(也許可以到1/3的聲速)。利用基本的物理原理可以發展出類似的方程式以適用於可壓縮的流體。以下有幾個類似白努力定律的方程式應用在不同領域，它們只有用基本的物理定律像是牛頓定律和熱力學第一定律。

可壓縮流體之流體力學[编辑]

對於可壓縮的流體，在保守力的作用之下，所得到的守恆式

\frac {v^2}{2}+ \int_{p_1}^p \frac {d\tilde{p}}{\rho(\tilde{p})}\ + \Psi = \text{constant}

(流線型下的守恆)

其中:

p 壓力

ρ 密度

v 流速

Ψ 保守力場下的位勢，通常指重力位勢

在工程領域，在海拔比較高的地方，其壓力會比地表來的小，而且流體流動的時間通常是相當的小，如同絕熱系統般。在這種情形下，上述的方程即

\frac {v^2}{2}+ gz+\left(\frac {\gamma}{\gamma-1}\right)\frac {p}{\rho} = \text{constant}

(流線型下的守恆)

其中:上述加入的為

γ 絕熱指數

g 重力加速度

z 離參考平面的高度

在可壓縮流體可以應用的地方，因為高度變化與其他變因相比小的很多，故gz項可以省略，所以較常用的方程式為

\frac {v^2}{2}+\left( \frac {\gamma}{\gamma-1}\right)\frac {p}{\rho} = \left(\frac {\gamma}{\gamma-1}\right)\frac {p_0}{\rho_0}

其中:

p₀總壓力

ρ₀總密度

可壓縮流動的熱力學[编辑]

另一個有用的公式，適合使用在熱力學的是：

{v^2 \over 2} + \Psi + w =\text{constant}.

這裡w是單位質量的焓，也就是通常會被寫成h

請注意 $w = \epsilon + \frac{p}{\rho}$ 其中ε為熱力學單位質量的能量，也稱為specific internal energy。公式右側的常數通常被稱為伯努力常數，常被寫為b。當在絕熱非黏滯性的流動，沒有能量的流進或流出時，b在任何曲線都是常數。當Ψ變化可以忽略，一個非常有用的形式的方程式是:

{v^2 \over 2}+ w = w_0

其中w₀是焓的總量。

延伸閱讀[编辑]

Batchelor, G.K.. An Introduction to Fluid Dynamics. Cambridge University Press. 1967. ISBN 0-521-66396-2.
Clancy, L.J. Aerodynamics. Pitman Publishing, London. 1975. ISBN 0-273-01120-0.
Lamb, H.. Hydrodynamics 6th. Cambridge University Press. 1993. ISBN 978-0-521-45868-9. Originally published in 1879; the 6th extended edition appeared first in 1932.
Landau, L.D.; Lifshitz, E.M.. Fluid Mechanics. Course of Theoretical Physics 2nd. Pergamon Press. 1987. ISBN 0-7506-2767-0.
Chanson, H.. Applied Hydrodynamics: An Introduction to Ideal and Real Fluid Flows. CRC Press, Taylor & Francis Group. 2009. ISBN 978-0-415-49271-3.

朱佳仁. 工程流體力學. 科技圖書公司. 2012. ISBN 978-9-576-55499-5.

外部鏈接[编辑]

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