משפט בלסיוס

במכניקת הזורמים, משפט בלסיוס הוא משפט המקשר בין פונקציית הפוטנציאל המרוכבת של זרימה פוטנציאלית דו-ממדית, לכוח אותו יחוש גוף מוצק המונח בתוך הזרימה. המשפט הוכח בשנת 1911 על ידי פול בלסיוס וקרוי על שמו. המשפט משמש לחישוב כוחות בשדה זרימה דו-ממדית ובפרט משמש להוכחת משפט קוטה–ז'וקובסקי המחשב את כוח העילוי המופעל על כנף הנעה במהירות קבועה.

ניסוח

זרימה פוטנציאלית דו-ממדית היא זרימה אידיאלית, בלתי דחיסה, הומגנית ואי רוטציונית. נתבונן בזרימה כזו בעלת צפיפות זורם הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \rho} , המתוארת על ידי פוטנציאל מרוכב הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle w(z)=w(x+iy)} המקיים:הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle u_x-iu_y= \bar{u}=\frac{dw}{dz}} . גוף מוצק בזרימה כזו מוגדר על ידי לולאה הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle C} כאשר מתקיים $\mathbf {u} \cdot {\hat {n}}=0$ על הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle C} . המשפט קובע שהכוח אותו יחוש הגוף נתון על ידי:

הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \bar{F}=\frac{i\rho}{2}\oint_C \left(\frac{dw}{dz}\right)^2 dz}

הוכחה

נבצע פרמטרזציה של הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle C} באמצעות הפרמטר $s$, ונציין ב-הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \theta(s)} את הזווית בין ציר ה-הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle x} למשיק ל-הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle C} בנקודה הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle s} . הכוח על אלמנט אינפינטיסמלי $\delta s$ הוא הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \delta\mathbf{F}=(-\sin\theta,\cos\theta)\ p\ \delta s} ולכן מתקיים: הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \delta \bar{F} = -p(\sin\theta+i\cos\theta)\delta s = -pie^{-i\theta}\delta s} . מצד שני, על הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle C} מתקיים :הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathbf{u}\cdot\hat{n} = -u_x \sin\theta + u_y\cos\theta = 0 \implies u_x = |u|\cos\theta ;u_y=|u|\sin\theta} . ולכן הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{dw}{dz}=u_x-iu_y = |u| e^{-i\theta}} .

משוואת ברנולי מקשרת בין הלחץ למהירות על קו זרם וקובעת ש: הפענוח נכשל (שגיאת המרה. השרת ("https://wikimedia.org/api/rest_") השיב: "Cannot get mml. Server problem."): {\displaystyle -p={\frac {1}{2}}\rho |u|^{2}+c} עבור קבוע כלשהו הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle c} . הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle C} הוא קו זרם ולכן מתקיים:

הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \delta \bar{F} = -pie^{-i\theta}\delta s = \left(\frac{1}{2}\rho |u|^2 - c\right) ie^{-i\theta}\delta s = \frac{i\rho}{2}\left(\frac{dw}{dz}\right)^2e^{i\theta} \delta s - cie^{-i\theta} \delta s}

כעת: הפענוח נכשל (שגיאת המרה. השרת ("https://wikimedia.org/api/rest_") השיב: "Cannot get mml. Server problem."): {\displaystyle \delta z=e^{i\theta }\delta s} והאיבר הקבוע מתאפס כאשר מבצעים את האינטגרל על הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle C} ולכן:

הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \bar{F}=\oint_C \delta F=\frac{i\rho}{2}\oint_C \left(\frac{dw}{dz}\right)^2 dz}

פרדוקס ד'אלמבר

ערך מורחב – פרדוקס ד'אלמבר

עבור זרימה מציפה בכיוון ה-הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle x} מסביב לגליל בעל רדיוס $a$ שמרכזו בראשיות מתקיים:

הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle w = U\left(z+\frac{a^2}{z}\right) \implies \frac{dw}{dz} = U\left(1 - \frac{a^2}{z^2}\right)}

לכן:

הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \bar{F}=\frac{i\rho}{2}\oint_C \left(\frac{dw}{dz}\right)^2 dz= \frac{i\rho U^2}{2} \oint_C \left[1-\frac{2a^2}{z^2}+\frac{a^4}{z^4}\right] dz = 0}

כאשר השוויון האחרון מתקבל לפי משפט השארית. כלומר קיבלנו שלא פועל כוח על גליל המוצב בזרימה מציפה, זאת בניגוד לתופעה הנצפית בניסוי ובה עצמים המונחים בזרימה מציפה חווים כוח גרר משמעותי ונסחפים. הניגוד בין התוצאה הנצפית בניסוי לתוצאה הנחזית מהתיאוריה הפוטנציאלית נקראת פרדוקס ד'אלמבר. פתרון של הפרדוקס הוצג על ידי פרנטל באמצעות תאוריית שכבת הגבול. לפי תיאוריה זו, בסמוך לגליל מתפתחת שכבות גבול טורבולנטית, בה כוחות הצמיגות הם משמעותיים והתיאוריה הפוטנציאלית לא מתקיימת. ביצוע החישוב כולל שכבת הגבול מאפשרת מציאת כוח הגרר המופעל על הגליל.

הערות שוליים

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

30165841משפט בלסיוס