Znalezienie natężenia przepływu wody z wylewki, takiej jak kran ogrodowy lub bateria łazienkowa, to proste ćwiczenie, które wymaga jedynie wiadra i minutnika. Obliczenie natężenia przepływu w otwartym korycie, takim jak rynna lub koryto rzeki, jest nieco bardziej skomplikowane, a obliczenie natężenia przepływu cieczy w zamkniętej rurze jest jeszcze bardziej skomplikowane.
Ogólnie wzór na natężenie przepływu to
Q=Av
gdzieQjest natężenie przepływu,ZAjest polem przekroju poprzecznego w punkcie na ścieżce przepływu ivto prędkość cieczy w tym punkcie. W niektórych sytuacjach, takich jak woda płynąca w korycie rzeki, obliczanieZAjest trudne, a najlepsze, co możesz zrobić, to przybliżenie. W innych, takich jak płyn płynący w zamkniętej rurze, trudno jest zmierzyćv, ale nie musisz. Jeśli możesz zmierzyć ciśnienie płynu, możesz użyć prawa Poiseuille'a.
Obliczanie natężenia przepływu przez kryzę
Jeśli potrzebujesz znać natężenie przepływu przez otwór, taki jak czop lub emiter kroplówki, wszystko, co masz co zrobić, to pozwolić, aby pewna objętość zgromadziła się w pojemniku i zmierzyć, ile czasu zajmuje gromadzić. Na przykład, możesz zmierzyć natężenie przepływu z kranu, pozwalając wodzie napełnić wiadro o pojemności 5 galonów i rejestrując czas. Podziel 5 przez czas potrzebny do uzyskania liczby galonów na jednostkę czasu. Jeśli zmierzysz czas w minutach, otrzymasz wynik w galonach na minutę.
Aby zmierzyć natężenie przepływu z małego otworu, takiego jak emiter kroplowy, będziesz potrzebować znacznie mniejszego pojemnika, takiego jak litrowy słoik, i dłuższej jednostki czasu, ale zasada jest taka sama. Emitery kroplowe są zwykle oceniane w liczbie galonów na godzinę, które emitują. Emiter, który emituje 1 galon na godzinę, napełni litrowy słoik w 15 minut.
Korzystanie ze wzoru natężenia przepływu
Jeśli widzisz przepływający płyn, możesz zmierzyć jego prędkość, a to oznacza, że wystarczy obszar, przez który przepływa płyn, aby obliczyć natężenie przepływu za pomocą wzoruQ = ZA × v.
Jeśli płyn przepływa przez otwór lub przezroczystą rurkę, jednym ze sposobów pomiaru prędkości jest wprowadzenie barwnika jako znacznika i określenie czasu, w jakim barwnik przechodzi przez dwa punkty. Po zmierzeniu promienia rurki lub kryzy można obliczyć powierzchnię za pomocą πr2, a następnie użyjv × ZAdo obliczenia natężenia przepływu.
Aby przepływać przez elementy naturalne, takie jak koryto rzeki, należy przybliżyć obszar. Załóżmy, że najgłębsza część rzeki to promień półcylindrycznego koryta. Oblicz pole przekroju za pomocą πr2, a następnie weź połowę tego i użyj tego doZAw równaniuQ = v × ZAaby uzyskać przybliżone natężenie przepływu.
Obliczanie natężenia przepływu za pomocą ciśnienia
Kiedy płyn przepływa przez zamkniętą rurę, nie możesz go zobaczyć, więc nie możesz zmierzyć jego prędkości. Jeśli jednak możesz zmierzyć ciśnienie płynu – co zwykle jest łatwe do wykonania za pomocą manometru – możesz użyć prawa Poiseuille'a do obliczenia natężenia przepływu. Zgodnie z prawem Poiseuille'a, natężenie przepływuQzmienia się bezpośrednio z różnicą ciśnień ΔΔpmiędzy końcami rury a czwartą potęgą promienia ruryr4i zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do długości ruryL. Równanie to:
Q = \frac{π\Delta pr^4}{8μL}
gdzieµto lepkość płynu.
Prawo Poiseuille'a zakłada przepływ laminarny (nieturbulentny), co jest bezpiecznym założeniem przy niskich ciśnieniach i małych średnicach rur.