医学物理学:03第三章 流体的运动(一)
医用物理学03流体的运动

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46
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14
二、伯努利方程的应用
1、汾丘里流量计
P112v12P212v22
S11S22
P11 2v12P21 2v2 2
QS1v1 S1S2
2gh S12 S22
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h
P1
P2
v1
v2
S1
S2
15
二、伯努利方程的应用
2、龙吸水
Pv2 gh恒量
5.人体的血液循环过程中,血流速度在毛细 血管处最慢。
(√)
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例7
当流动的液体(理想)从水平管中的细部流到粗 部时,液体的压强:…………………( ) A.由小增大。 B.由大减小。 C.无变化。 D.不能确定。
Rf
8L R 4
答案:A
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例8
某粘滞流体通过半径为r的管道时流阻为R,如管 道半径增加一倍,其流阻为:…( )
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一、层流
1、粘性流体 理想流体:绝对不可压缩,完全没有粘滞性 粘性流体:不能忽略粘滞性 ——甘油、血液 分类 (流动状态) : 层流(laminar flow) 湍流(turbulent flow) 过渡流动
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一、层流
2、层流 流体分层流动,流层间没有横向混杂。
3、过渡流动 介于层流与湍流间的流动状态很稳定,称为过渡流动
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四、雷诺数
Re 1000
1000Re1500 层流 Re 1500 过渡流动
湍流
r1.051300.250.01 Re 3103 875
医用物理学作业答案

第三章 流体的运动3-5水的粗细不均匀的水平管中作稳定流动,已知在截面S 1处的压强为110Pa ,流速为0.2m/s ,在截面S 2处的压强为5Pa ,求S 2处的流速(内摩擦不计)。
解:根据液体的连续性方程,在水平管中适合的方程:=+21121ρυP 22221ρυ+P代入数据得:22323100.12152.0100.121110υ⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⨯+得 )/(5.02s m =υ 答:S 2处的流速为0.5m/s 。
3-6水在截面不同的水平管中作稳定流动,出口处的截面积为最细处的3倍,若出口处的流速为2m/s ,问最细处的压强为多少?若在此最细处开个小孔,水会不会流出来?解:将水视为理想液体,并作稳定流动。
设管的最细处的压强为P 1,流速为v 1,高度为h 1,截面积为S 1;而上述各物理量在出口处分别用P 2、v 2、h 2和S 2表示。
对最细处和出口处应用柏努利方程得:=++121121gh P ρρυ222221gh P ρρυ++由于在水平管中,h 1=h 2=+21121ρυP 22221ρυ+P从题知:S 2=3S 1根据液体的连续性方程: S 1υ1 = S 2υ2∴ 212112213/3/υυυ===S S S S V又Pa P P 50210013.1⨯== ∴222201)3(2121υρρυ-+=P P=2204ρυ-P=235210410013.1⨯⨯-⨯ Pa 510085.0⨯=显然最细处的压强为Pa 510085.0⨯小于大气压,若在此最细处开个小孔,水不会流出来。
3-7在水管的某一点,水的流速为2 cm/s ,其压强高出大气压104 Pa,沿水管到另一点高度比第一点降低了1m ,如果在第2点处水管的横截面积是第一点处的二分之一,试求第二点处的压强高出大气压强多少?解:已知:s m s cm /102/221-⨯==υ, a p p p 40110+=, m h 11=, 2/1/12=s s , 02=h ,x p p +=02水可看作不可压缩的流体,根据连续性方程有:2211v s v s =,故2112s v s v ==21v 又根据伯努利方程可得:22212112121v p gh v p ρρρ+=++故有:210121404212110v x p gh v p ⋅++=+++ρρρ12142310gh v x ρρ+-=110101)102(101231032234⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯-=-=2×104 pa3-8一直立圆柱形容器,高0.2m ,直径0.2m ,顶部开启,底部有一面积为10-4m 2的小孔,水以每秒1.4×10-4m 3的快慢由水管自上面放入容器中。
医用物理课件:第3章流体的运动

1 2
mv12
mgh1
P1V
P2V
1 2
mv
2
2
mgh2
1 2
mv12
mgh1
第三章 流体的运动
P1V
1 2
mv12
mgh1
P2V
1 2
mv22
mgh2
P1
1 2
v12
gh1
P2
1 2
v2 2
gh2
P 1 v2 gh 常量
2
同一细流管中,单位体积流体的动能、单位体积流 体的重力势能、该点的压强之和为一常量。
0.0012 4.220 0.494
3)SI制单位:N.s.m-2 或 Pa.s; 常用单位P(Poise,泊 )1P=0.1 Pa.s
第三章 流体的运动
第三章 流体的运动
二、牛顿黏滞定律
1. 内摩擦力(黏性力) 层流时两流层之间存在的切向的阻碍 相对滑动的力。 2. 速度梯度 dv/dx
在垂直于流动方向上,每增加单位距离 流体速率的增加量.
3、牛顿粘滞定律
F S dv
dx S — 两层之间的接触面积.
: 黏滞系数(黏度)
第三章 流体的运动
4、黏度 1)意义:流体黏性大小 的量度。 2)说明 粘度大小由流体本身的 性质和温度决定。
功能原理
外力和非保守内力所做 的功等于系统机械能的 增量
A=△E
第三章 流体的运动
1、伯努利方程推导
细流管中截取一段作稳
定流动的理想流体。
F2
外力(细流管外流
体压力)作功
F1
A F1L1 F2 L2
P1S1V1t P2S2V2t
P1V P2V
流体的运动PPT课件

例题:设主动脉的内半径为0.01m,血液的流速、 粘 度 、 密 度 分 别 为 v=0.25m.s-1,η=3.0×103Pa.s,ρ=1.05 ×103kg.M-3,判断血液以何种 状态流动。
解:雷诺数为
1.0 51300.2 50.01
Re
3.01 03
875
这一数值小于1000,所以血液在主动脉中为层 流。
管状区域称为流管
2
S1
V1
1
V2
流量Q:单位时间内通过某一流管内任意横截面的流体的体
积叫体积流量(简称流量)
S2
平均流速:V=Q/S
定常流动的特征 流线形状不变 流线与流体粒子的轨迹重合 流体只能在管内流动,不能流出管外
那么,定常流动的流量、流速 有什么规律呢?
三、连续性方程
设截面积S1、S2处的流速分别为V1和V2,流体的密度为1 、 2,流体经过时间△t
飞机升空原理
伯努利方程的应用:P + ½ v2 + g h = 常量
旋转乒乓球的运动轨迹?
伯努利方程的应用:P + ½ v2 + g h = 常量
空吸作用 喷雾器
TL2003型手持式气溶胶喷雾器
伯努利方程的应用:P + ½ v2 + g h = 常量
水流抽气机
伯努利方程的应用:P + ½ v2 + g h = 常量
例题:设有流量为 0.12m3s-1的水流过如 图所示的管子。A点的压强为 2 x 105Pa, A点的截面积为100cm2,B点的截面积为 60cm2。假设水的粘性可以忽略不计,求 A、B两点的流速和B点的压强。
解:水可近似认为不可压缩、没有粘滞性 的理想流体,根据连续性方程有
《医学物理学》课件流体的运动

05
CATALOGUE
流体的流动规律
伯努利方程
伯努利方程表述了理想流体在重力场作稳定流动时,具有压力能、位能和动能三种形式,它们之间能 够互相转换,且总和保持不变。
伯努利方程是理想不可压缩、定常流动流体动量方程的变形,它反映了流体的压强、位置高度和速度 之间的关系。
连续方程
连续方程表述了单位时间流入、流出 控制体积的质量流量之差,等于体积 V中液体质量的变化率。
原因分析
重力是地球对物体的吸引力,因此物体受到的重力越大,其受到的 流体静压力也越大。
实例
在太空中,由于没有重力作用,液体无法保持一定的形状和位置, 会四处漂浮。
03
CATALOGUE
流体动力学
流体动压力
定义
流体动压力是指单位面积上垂直作用于流体微元上的动量力。
公式
流体动压力与流体的密度、速度和重力加速度有关,计算公式为: p = ρgh。
流体静压力与深度关系
深度对流体静压力的影响
流体静压力随深度的增加而增加。
原因分析
由于重力作用,越深处的流体受到的重力越大,因此流体静压力随 深度的增加而增加。
实例
在水中,水深每增加1米,水压就增加约9800帕斯卡。
流体静压力与重力关系
重力对流体静压力的影响
流体静压力与重力有关,重力越大,流体静压力越大。
案例二:肺换气过程模拟
肺换气的生理机制
肺换气是呼吸过程中氧气和二氧化碳交换的 过程,流体力学在肺换气过程中起着重要作 用。
肺功能评估
通过模拟肺换气过程,可以评估肺的功能状态,如 肺活量、通气量等,为诊断肺部疾病提供依据。
呼吸治疗
针对呼吸系统疾病,如哮喘、慢阻肺等,流 体力学方法可以帮助设计更有效的呼吸治疗 策略。
第三章流体的运动

作业: 习题三 3-6、3-7、3-10
由上两式可得
S1
h
汾丘里流量计
v1 S 2
2P P2 2 gh 1 2 2 S2 2 S1 S 2 S12 S 2
S2
水平放置
压强差
P P2 gh 1
2 gh 2 S12 S 2
流量 Q S1v1 S1S 2
2、流速计
皮托管是用来测量液体或气体 流速的装置。
第三章 流体的运动
• 物质存在的三种状态——固、液、气
• 流体各部分之间很容易发生相对运动— —流动性
• 具有流动性的物体——流体
如:水、酒精、血液、空气……
§3.1 理想流体 稳定流动
一、理想流体
绝对不可 压缩 完全没有 粘滞性 (它是一种理想化模型,实际不存在。)
二、稳定流动
1. 稳定流动 一般情况下,流体流动时,空间各点的流速随位 置和时间的不同而不同,即 v v( x, y, z, t ) 若空间各点流速不随时间变化,即
说明: ① v、h、P 均为流管横截面上的平均值。 ② 若S1、S2→0 ,则表示同一流线上不同点 各量的关系。 3、适用范围
只适用于理想流体在同一细流管中作稳定流动。
4、特例
A、流体在水平管中流动(h1 = h2 ),则流体的势能在 流动过程中不变,故
P v 常量
1 2 2
V小→P大 ; V大→P小
1 1 2 2 10 1000 12 1000 20 2 1000 9.8 2 2 2 5.24 10 4 Pa
5
二、 伯努利方程的应用
1、流量计
用汾丘里流量计可以测量液体的流量。
医用物理学流体的运动

04
CATALOGUE
粘性流体的流动现象
层流与湍流现象
层流现象
粘性流体在管道内流动时,若流速较 低,流体各层质点互不混杂,流动平 稳,呈现明显的分层流动现象,称为 层流。
湍流现象
随着流速的增加,流体各层质点开始 相互混杂,流动变得不稳定,出现涡 旋和随机脉动,这种流动状态称为湍 流。
雷诺数及其物理意义
THANKS
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医用物理学流体的运动
CATALOGUE
目 录
• 流体运动基本概念 • 流体静力学原理 • 流体动力学基础 • 粘性流体的流动现象 • 医用物理学在流体运动中的应用 • 实验方法与技术研究
01
CATALOGUE
流体运动基本概念
流体的定义与特性
流体的定义
流体是指在外力作用下,能够连 续变形并流动的物质。它包括液 体和气体两大类。
压强
流体中某点的压力与该点处流体密 度的比值,用符号$rho$表示,单 位是千克每立方米(kg/m³)。
压力与压强的关系
$p = rho gh$,其中$g$是重力加 速度,$h$是流体中某点距参考面 的高度。
帕斯卡原理及应用
01
02
03
帕斯卡原理
在密闭容器内,施加于静 止液体上的压强可以等值 同时传到各点。
湍流
当流体流速增大到一定程度时,流体质点的运动轨迹变得不规则,出现涡旋和 剧烈的紊动,这种流动称为湍流。湍流具有流动不稳定、质点相互混杂的特点 。
粘度与流动阻力
粘度
粘度是表征流体粘滞性大小的物理量,它反映了流体内部质 点间相互作用的强弱。粘度越大,流体内部质点间的相互作 用力越强,流动阻力也越大。
用于解释和计算各种流体现象,如文 丘里管、喷雾器、飞机升力等。
医学物理学第三章流体1汇编

测量气体的文托里流量计:
汾丘里(Venturi meter)流量计图片
P 1P 2 gh
Q S1v1 S1S 2 2 gh S12 S 22
3.流速计--皮托管(pitot tube) 选A、B为两截面: 水平流管伯努利方程: 1 2 1 2 PA v A PB vB 2 2 又:
第 3 章 流 体 的 运 动
第三章
流体的运动
流体运动: 流体静力学 流体动力学 物质的形态:固体(牛顿力学) 意义:研究人体循环系统、呼吸过程 液体 以及相关的医疗设备都十分必要。 流动性 气体 流体——具有流动性的物体。 流体力学——研究流体的运动规律
及流体与其中固体相互作用的规律。
第一节 理想流体 稳定流动(重点)
vA
A
求:vA ?, vB ?, PB ?,
vA
Q 0.12 2 12 m s 1 s A 10 S A vA SB vB Q Q 0.12 1 根据连续性方程, vB 20 m s sB 60 104 1 2 1 2 根据伯努力方程,得: PA v A PB v B ghB 2 2
一般流体的流速是空间坐标和时间的函数 : v = f ( x.y.z.t )
若:
v = f ( x.y.z ) 稳定流动
即:空间任意点的流速不随时间而变。
理想流体做定常流动时的特征: v2 S2
v1 S1
a. 流线固定不变,永不相交;
b. 在流管中,有多少流体流入S1,就有多少流 体流出S2。 a. 管内的流体不能流出管外,管外的流体不 能流入管内。
即:
A
B
vB 0
------ B点称为“滞止点”
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可得
Sv c (c 表示常数)
由于 Sv 表示单位时间内通过任一截面 S 流 体的体积,从而 Sv 常称为体积流量。 因此,
方程
Sv c
又称为体积流量守恒定律。
不可压缩的流体在流管中做稳定 注
意
流动时,流速 v 与横截面积 S 成反比。
第二节 伯 努 利 方 程
汾丘里流量计
二、伯努利方程在实际问题中的应用 1. 流量计
h
S1
S2
汾丘里流量计
根据水平流动状态下的伯努利方程
注意到 可得
P1
1 2
v12
P2
1 2
v22
P1 P2 gh
1 2
v22
1 2
v12
gh
………(1)
由体积流量守恒定律(即连续性方程)
S1v1 S2v2
………(2)
由 (2) 式可得
v2
S1v1 S2
代入 (1) 式,可得
进而,流量
v1 S2
2gh S12 S22
Q S1v1 S1S2
2gh S12 S22
2. 流速计 a
h
b
v
c
d
流速计原理
注意到 vd 0, 根据贝努利方程,有
再由
Pc
1 2
v 2
Pd
Pd Pc gh
得到
v 2gh
v
A
M
h
待测流体密度
管内液体密度
动脉
静脉
6.8 -5.2
13.3 0.3
减少了5.87
增加了11.73
24.4
12.4
体位对血压的影响(单位:kPa)(二)
小结
两个概念
理想流体 稳定流动
两个方程
连续性方程 伯努利方程
三个应用
流量计 流速计 体位与血压
结束
一、伯努利方程(Bernoulli’s equation) 对于在重力场中稳定流动的理想流体,利
用功能原理及连续性方程,可以推导出:
流管中任意一点的流速 v,压强 P 和高度 h 之间满足
P 1 v2 gh c(c 表示常数)
2
—— 伯努利方程
当流体在水平管中流动,即高度不变时, 贝努利方程化为
20(m s1)
再求 B 点的压强 PB .
根据伯努利方程
PA
1 2
v
2 A
PB
1 2
vB2
ghB
有
PB
PA
1 2
vA2
1 2
vB2
ghB
2105 1 103 122
2
1 103 202 103 9.8 2 2
5.24 10 4 (Pa)
二、伯努利方程在实际问题中的应用 1. 流量计
二、稳定流动(steady flow)
空间中流体的速度分布称为流场。
在分析问题时,某一时刻的流场用一系列
曲线来表示,曲线上每
v
(x, y, z)
一点的切线方向与流体 粒子在该点的速度方向 一致, 这些曲线称为 流线。
一般情况下,流场中各点的流速随时间而变
化,即
v v(x, y, z,t).
但在实际问题中,常遇到整个流动随时间的变化
并不显著。为了简化问题,可以近似地将流速看
作不随时间而变化,即
v v(x, y, z).
不随时间变化而变化的流动称为稳定流动。
在研究稳定流动的流体时,常采用流管的方法。
所谓流管就是在稳定流动的流体中划出一
个小截面 S,
通过其周边各
点的流线所围
成的管状区域。 S
与速度方向垂直
注意
由于每一点有唯一确定的流速,所 以流线不可能相交。
求 A ,B 两点的流速和 B 点的压强。
B vB
1Pa 1N m2
2m
A
vA
解题提示 先求流速 vA, vB .
水可以看成不可压缩的流体,根据连续性方程
Q Sv c,
有 从而
Q SAvA SBvB ,
vA
Q SA
0.12 100104
12
(m s1)
Q vB SB
0.12 60104
三、连续性方程(continuity equation)
稳定流场的任意一段细流管
1 v1
2
v2
S1
S2
经过很短的时间 t
由于 t 很小,流过截面 S1 和 S2 的流体
都可以看成小柱体,因此它们的质量分别为
m1 1(v1t) S1 1S1v1t, m2 2S2v2t.
根据质量守恒原理和稳定流动的特点, 应有
P 1 v2 c(c 表示常数)
2
上式表明,在水平管子中流动的流 注 意 体,流速小的地方压强较大,流速大的
地方压强较小。
气流
机翼
F1 v1
v1 v2 P1 P2
F
v2 F2
飞机获得升力的示意图
例 设有流量为0.12m3 s1的水流过如图 所示的管子。A 点的压强为 2 10 5 Pa, A 点 的截面积为 100 cm2 , B 点的截面积 60cm2。
m1 m2
则得
1S1v1t 2S2v2t
即
1S1v1 2S2v2
此式表明:在流管中的任意截面 S 处有
Sv c (c 表示常数)
—— 连续性方程
由于 Sv 表示单位时间内通过任一截面 S
的流体质量,从而 Sv 常称为质量流量。 因此
连续性方程又称为质量流量守恒定律。
当流体为不可压缩流体时,有 1 2 ,
在内摩擦力,进而阻碍流体流动,这种特性称为 黏性。
任何流体都有可压缩性和黏性。
液体可近似为不可压缩。气体是可 注 压缩的,但在温度和压强不变的情况下, 意 可认为密度保持不变,即不可压缩。
气体的黏性可以忽略。水和酒精的内摩擦也 很小,黏性也可以忽略。但甘油和糖浆不能忽略。
绝对不可压缩、完全没有黏性的流体称为理 想流体。
h
液面高度差
v
待测流体速度
皮托管的示意图
v 2( )gh
3. 体位对血压的影响 选学 当流体在等截面管中匀速பைடு நூலகம்动时, 根据伯
努利方程,有
P gh c
表明高处的压强较小,低处的压强较大。
利用这一原理可解释体位对血压测量的影响。
动脉
12.67
13.3
12.67
静脉
0.67
0.3 0.67
体位对血压的影响(单位:kPa)(一)
复习
应变与应力
一、应变 二、应力
弹性模量
一、应变——应力曲线 二、弹性模量
本 次 课 程 内 容
气体和液体统称为流体。
流体的基本特征是具有 流动性。
第一节 理想流体 稳定流动
一、理想流体(ideal fluid) 流体的体积随压强的不同而改变(进而密度
改变)的特性称为可压缩性。 当流体各层之间有相对运动时,相邻两层存