Fizica curentului / adancimii & vaslitul
(Parte din Fizica Vaslitului)
Modificari Recente
- 20-IAN-08 Aspectul actualizat.
1. Introducere
Crearea acestei pagini a fost determinata de discutiile pe grupul de stiri rec.sport.rowing despre cum se simte diferit inaintarea in amonte sau in aval, precum si despre diferenta dintre apa adanca si cea putin adanca. Voi incepe prin a spune ca presupun ca vaslirea in aval se simte "mai grea" decat inaintarea in amonte, care este impresia mea personala, desi unii ar argumenta ca este invers - ceea ce nu pot explica decat ca un efect pur psihologic. De asemenea, reduc modificarea rezistentei la aer, adica atunci cand va indreptati in aval, va deplasati mereu mai repede in raport cu aerul decat inaintarea in amonte, astfel incat, relativ vorbind, bucatile din aval au parte de mai mult vant decat bucatile din amonte. Acest lucru este in mod clar corect, dar, cred ca, neglijabil - din nou, personal vorbind, cred ca pot sesiza diferenta dintre rezistenta crescuta la apa si rezistenta crescuta la aer, iar diferenta amonte / aval seamana cu rezistenta la apa pentru mine.
2. Viscozitate
Luati in considerare doua suprafete separate de fluid, distanta H separata, cu suprafata superioara deplasandu-se la V si suprafata inferioara fixa. Fluidul adiacent suprafetei superioare va fi tarat de-a lungul si, de asemenea, va fi deplasat la viteza V in timp ce fluidul adiacent la suprafata inferioara va fi stationar, astfel incat un gradient de viteza constanta V / H (cunoscut si ca "forfecare") este existent In fluid.
 |
| Figura (2.1) |
Dupa cum va va spune orice manual de fizica, Rezistenta R (masurata ca forta pe unitate de suprafata) cauzata de vascozitate este data de:
unde e este coeficientul de vascozitate (masurat in kg / m / s, presupusa constanta) si forta de forfecare dv / dz = V / H in acest caz, deci
Acest lucru va spune ca rezistenta vascozitatii pe suprafata superioara creste proportionala cu viteza. Cu toate acestea, acest lucru este valabil doar pentru situatiile in care lungimile orizontale sunt mult mai mari decat separarea H, astfel incat stratul de forfecare este constant pe toata lungimea. Acest lucru este valabil doar pentru barcile care plutesc in apa foarte putin adanca (inci). In majoritatea cazurilor, este necesar un model mai bun.
3. Rezistenta Barcii
Pe masura ce o barca se deplaseaza prin apa stationara, apa care intra in contact cu arcele este imediat accelerata la viteza barcii V, dar stratul de forfecare poate creste doar in jos la o viteza fixa W (stabilita de calea libera a moleculelor). Deci limita inferioara (statica) a stratului de forfecare se inclina in jos de la arcuri:
 |
| Figura (3.1) |
Sub punctul x de-a lungul cocii, stratul de separare va fi crescut pentru un timp t = x / V, astfel incat va ajunge la o adancime h = W.t = W.x / V. Astfel, folosind Eq (2.1), rezistenta vascozitatii la punctul x este data de:
Aceasta este originea legii V2 pentru rezistenta barcii (vezi rezistenta proportionala cu V din sectiunea precedenta) - vezi Sectiunea 2 a Bazelor
4. Cursul Raului
Curgerea fluviului este condusa de un gradient de presiune hidrostatica, care este constant pe intreaga sectiune transversala a raului. Daca nu ar fi vorba de efecte de viscozitate, acest lucru ar insemna ca fluxul curge cu o viteza egala in toate punctele din sectiunea transversala, deoarece fiecare punct este condus cu aceeasi forta. Cu toate acestea, din cauza vascozitatii, curgerea este mai lenta in apropierea limitei fixe (albia si malurile) si mai rapida in apropierea limitei libere (suprafata, deoarece aerul ofera o rezistenta relativ mica la curgere), iar cel mai rapid debit va fi in cel mai indepartat punct de limita fixa, ceea ce inseamna departe de maluri si unde raul este cel mai adanc.
 |
| Figura (4.1) |
Diagrama prezinta o sectiune transversala a fluxului deasupra unui pat de rau inegal, contururile reprezentand viteza de curgere. Fluxul este 0 langa limita fixa, 1 pentru 1 strat, si asa mai departe. Ca si in majoritatea raurilor, fiind mai lat decat adanc, debitul in majoritatea locurilor este determinat de adancime, nu de distanta de la laturi. De aceea, fluxul de suprafata este cel mai rapid (3) peste canalul din dreapta si cel mai lent plasat in laterale sau peste creasta centrala.
5. Efectul cursului raului asupra rezistentei
Daca exista un flux, fluxul va avea propria forfecare verticala (diagrama stanga in figura 5.1). Din sectiunea 3, o barca care se deplaseaza prin apa statatoare isi va forma propriul strat de forfecare la un anumit punct fix de sub coca (schema din dreapta).
 |
| Figura (5.1) |
Cand avem o barca care se misca intr-un curs de apa, aceste doua forfecari se vor insuma ca in Fig. (5.2)
 |
| Figura (5.2) |
Diagrama din stanga arata forta de forfecare stabilita de o barca care se deplaseaza in amonte la viteza V fata de apa, care se deplaseaza la viteza U in raport cu malul sau cu albia. In acest caz, exista o anumita anulare intre cele doua straturi de forfecare: forfecarea vitezei sub barca este redusa, astfel incat exista o mai mica rezistenta aparenta comparativ cu cea a apei. Diagrama dreapta arata situatia opusa pentru o barca care se deplaseaza in aval. Aici se mareste forfecarea si forta aparenta.
In general, cu cat este mai rapid fluxul sau apa mai mica, cu atat mai mare este forfecarea, cu atat mai mare este diferenta de rezistenta.
6. Rezistenta in Amonte / in Aval
Diferenta dintre sectiunile 2 si 3 a fost ca, in primul caz, stratul de forfecare avea o adancime fixa, in timp ce in ultimul caz a crescut continuu pe masura ce barca a trecut.
 |
| Figura (6.1) |
In apa putin adanca, stratul de forfecare poate atinge fundul, caz in care evident ca inceteaza sa creasca si se aplica Eq. (2.2) in loc de Eq. (3.1). La prima vedere, acest lucru ar putea parea un lucru bun, deoarece in ecuatia (2.2), rezistenta creste doar liniar cu viteza, mai degraba decat cu patratul vitezei de la ecuatia (3.1). Cu toate acestea, trebuie sa va amintiti ca efectele de fund sunt resimtite la viteze mici, mai degraba decat la viteze mari (deoarece stratul de forfecare are mai mult timp sa creasca in jos la viteze reduse), iar punctul in care cei doi devin egali este locul unde stratul de forfecare se separa de fund.
Astfel, la viteze mici, rezistenta la apa mica este liniara (aratata de linia rosie din Fig. 6.1) si mai mare decat cea asteptata din regimul patrat (aratat de linia albastra) cu un strat de forfecare neingradit. Schimbarea adancimii apei are efectul de a reduce panta regimului liniar (diferentierea ecuatiei (2.2)):
Astfel incat tranzitia (la punctul + in diagrama) de la liniar la patrat are loc la viteze mai mici.
Deci, cat de putin adanca trebuie sa fie apa inainte sa observati fundul? Puteti obtine o idee despre adancimea stratului de forfecare observand intinderea turbulentei laterale la pupa barcii (stratul de forfecare creste probabil in jos, in acelasi mod ca si in sus), adica in jur de 1 metru. Oricat de mai adanc si nu ar trebui sa observati fundul deloc. Adancimea minima pentru cursurile Olympic Regatta este, cred, de 2 metri, doar pentru a fi pe partea sigura.
Desigur, pe masura ce viteza tinde la zero, stratul de forfecare se va extinde pana la infinit, astfel incat adancimea reala a apei va fi intotdeauna "observata" in cele din urma, dar de obicei la astfel de rezistente scazute este imposibil sa se faca distinctia intre regimul liniar si patrat.
Retineti ca apa in miscare va avea, de asemenea, forfecare indusa de curgere (sectiunea 5), un efect complet separat. In acest caz (adica rauri) adancimea totala va fi intotdeauna semnificativa.
7. Viteza in amonte / in aval
Este o conceptie gresita in mod obisnuit ca, daca vasliti, de exemplu, 2000m in amonte si 2000m in aval, masurata in functie de anumite puncte fixe de pe mal, timpul dvs. mediu este acelasi ca si cum ati vaslit 2000m in apa statatoare (ignor orice schimbare in viteza datorata oboselii sau efectele discutate in sectiunile anterioare). Pentru viteze reduse ale fluxului este o aproximare rezonabila, dar media in flux va fi intotdeauna mai lenta decat timpul dvs. de apa statatoare. De ce? Pentru ca...
Sa presupunem ca viteza intrinseca prin apa este V, viteza fluxului este U si vasliti o distanta L masurata de-a lungul malului.
| (7.1) | Timp de apa statatoare, | tS = L /V |
| (7.2) | Timpul amonte, | tU = L /(V-U) |
| (7.3) | Timp aval, | tD = L /(V+U) |
| (7.4) | Timp mediu, | tA = ½(tU +tD) = L.V /(V2- U2) |
Asa cum v-ati astepta, deoarece viteza fluxului U tinde la zero, atunci media timpului (in amonte si in aval) tinde spre timpul dvs. de apa statatoare, dar pentru orice flux diferit de zero, tA este mai lung decat tS (deoarece V2-U2 este intotdeauna mai mic decat V2).
Cat de diferit? Ia V = 5 m / s (corespunzand tS = 6: 40 = 400 s, pentru 2000 m in apa liniara). In timp ce va aflati intr-un flux (lent) de U = 10 cm / s, ati vasli 2000m in amonte in tU = 408.2s si in aval in tD = 392.2s, dand o medie de tA = 400.2s,doar 0.2s mai lent, neimportant. Dar, intr-un flux mai rapid de U = 1m / s, veti obtine tA = 416.7s, adica 16.7s afara, sau credeti ca ati fost cu aproximativ 5 lungimi mai lent decat sunteti cu adevarat. Retineti ca, desi viteza fluxului a crescut cu un factor de 10, eroarea a crescut cu un factor de 100 (depinde de U2).
