初步觀察:水流為什么會變細?

當你打開水龍頭或水管出水口時,水流最初以較大的直徑噴出,但在下落過程中,它的形狀逐漸收縮,最終變得更加纖細,這種現(xiàn)象并非偶然,而是由多種物理規(guī)律共同作用的結(jié)果。


關(guān)鍵因素:流速增大導(dǎo)致水流變窄

(1) 伯努利原理的作用

伯努利原理是流體力學(xué)的基本原理之一,它指出:在一條穩(wěn)定的流體流動中,流體的壓力流速之間存在反比關(guān)系,當水流從水管噴出時,初始流速較低,但隨著重力作用,水流速度逐漸加快,根據(jù)伯努利方程:

[ P + \frac{1}{2} \rho v^2 + \rho gh = \text{常數(shù)} ]

  • P 代表流體壓力
  • 是水的密度
  • v 是流速
  • g 是重力加速度
  • h 是高度

由于水流下落時重力勢能轉(zhuǎn)化為動能,v(速度)增加,而 P(壓力)下降,導(dǎo)致水流收縮變細。

(2) 連續(xù)性方程

連續(xù)性方程描述了流體在不同截面的質(zhì)量守恒: