流體力學

白努利原理

/ ber-NOO-lee /

白努利原理說:平滑流動的流體在速率較快的地方,壓力較低。朝一條紙帶的上方吹氣,它就會抬起;感受一輛卡車在高速公路上疾駛而過時的那股拉力;看浴簾在灑下的水柱旁向內鼓動。它回答一個令人意外的問題:在流動的流體中,速率和壓力是怎麼連在一起的?

精確地說,對於穩定流動的理想流體,沿著任一條流線,P + (1/2) rho v^2 + rho g h 這個總和保持定值,其中 P 是壓力,rho 是密度,v 是速率,g 是重力加速度,h 是高度。這其實就是把能量守恆寫給流動的流體:這三項分別是壓力能、每單位體積的動能,以及每單位體積的重力位能。若高度幾乎不變,那麼當 v 上升時,(1/2) rho v^2 這一項就變大,於是 P 必須下降才能讓總和不變——流得快就代表壓力低。

白努利原理有助於解釋化油器、噴霧器、旋轉球的曲線軌跡,以及機翼升力的一部分。但它是大眾科學中被濫用得最嚴重的觀念之一,所以誠實很重要。它只在理想流體、沿著流線、黏滯性可忽略時才成立。那個關於飛機升力、常聽到的「等時通過」說法——空氣必須在機翼後緣重新會合——根本是錯的;真實的升力更微妙,牽涉到機翼把空氣向下偏折。請在白努利的假設真正成立的地方使用它。

在一根變窄的水平管中(h 不變),流體依連續方程式加速,於是壓力下降。這就是文氏效應(Venturi effect),也是香水噴霧器把液體吸進快速氣流的原理。

沿著流線,流得越快壓力越低——能量平衡 P + (1/2) rho v^2 + rho g h 保持不變。

白努利原理只在理想流體、沿著流線時成立。那個廣為流傳、用「等時通過」解釋飛機升力的說法是個迷思;真實的升力主要來自空氣被向下偏折。

又称
Bernoulli's equation白努利定律白努利方程式