Реакция движущейся жидкости и ее использование

Положим на стол согнутую под прямым углом стеклянную трубку, соединенную резиновой трубкой с водопроводом (рис. 318). При истечении воды трубку будет отбрасывать в направление стрелки. Для объяснения этого опыта рассмотрим силы, действующие со стороны протекающей жидкости на изогнутую трубку. Пусть жидкость входит в трубку со скоростью (рис. 319) и выходит из трубки со скоростью . Допустим для простоты расчета, что трубка имеет повсюду одно и то же сечение. В таком случае скорости к по модулю равны, но направления их различны. Следовательно, скорость получает приращение . Это означает, что при течении по изогнутой трубке жидкость испытывает ускорение, среднее значение которого направлено вдоль вектора . Ускорение сообщается жидкости силами, с которыми стенки трубки действуют на жидкость. По третьему закону Ньютона на трубку со стороны жидкости действует сила противодействия , направленная противоположно вектору . Эту силу мы будем называть силой реакции струи жидкости. В описанном опыте трубка отклоняется в сторону силой реакции струи.

Рис. 318. При открывании крана изогнутая трубка начинает двигаться по направлению стрелки

Рис. 319. При изменении направления течения воды на трубку действует сила реакции струи воды

Другой пример действия силы реакции струи дает опыт, изображенный на рис. 320. При вытекании воды через изогнутые трубки ведерко вращается в направлении, указанном стрелкой. Для объяснения этого опыта нужно проследить направление сил реакции вытекающей воды. В опыте, изображенном на рисунке, эти силы поворачивают ведерко по часовой стрелке (если смотреть сверху). Такого рода прибор носит название сегнерова колеса. Для поливки парковых лужаек иногда применяют насадку в виде сегнерова колеса. Вращаясь на водопроводной колонке, такая насадка разбрызгивает воду по большому кругу, орошая лужайку.

Рис. 320. Ведерко вращается в сторону, обратную направлению вытекания струи

Реакция струи обнаруживается не только при течении жидкости по изогнутой трубке, но и во всех случаях, когда струя жидкости или газа изменяет свое направление, встречая на пути твердые тела. На этом принципе основано действие турбин, где реакция струи используется для получения вращения.

В различных типах турбин изменение направления струи воды или пара достигается различными устройствами. Примером такого устройства служит паровая турбина, главной частью которой является колесо с лопатками (ротор), косо насаженными на обод (рис. 321). Силовая струя пара ударяется о лопатки, отражаясь от них, изменяет свое направление (рис. 322). При этом возникает сила реакции, действующая со стороны струи на лопатки. Эта сила и вращает колесо турбины. Несколько иначе устроены водяные турбины гидростанций (рис. 323), но и здесь турбину вращает сила реакции струй воды, отклоняемых лопастями.

Рис. 321. Паровая турбина

Рис. 322. Сопло и лопатки турбины

На этом же явлении реакции струи основано действие ветряных мельниц и ветродвигателей. Набегающий поток воздуха отклоняется крыльями ветряной мельницы, косо насаженными на ось. При этом на каждое крыло действует сила реакции потока воздуха, которая вращает крылья мельницы (рис. 324).