Math Problem Statement

در لوله ای با قطر متغیر، که جریان آب در آن لایه ای است،آب از چپ به راست یعنی از مقطع A به مقطع B حرکت می کند.اگر از سطح مقطع A تا سطح مقطع B قطر لوله 25 درصد افزایش یابد، تندی آب چند درصد کاهش پیدا می کند؟

Solution

برای حل این سوال باید از قانون استمرار جریان استفاده کنیم که بیان می‌کند:

A1v1=A2v2A_1 \cdot v_1 = A_2 \cdot v_2

که در آن:

  • A1A_1 و A2A_2 مساحت مقاطع عرضی لوله در نقاط A و B هستند.
  • v1v_1 و v2v_2 تندی جریان آب در نقاط A و B هستند.

با توجه به اینکه قطر لوله در مقطع A و B تغییر کرده است، ابتدا مساحت مقاطع را به دست می‌آوریم. اگر قطر لوله در مقطع A را d1d_1 و در مقطع B را d2d_2 بنامیم، مساحت مقطع به صورت زیر محاسبه می‌شود:

A=π(d2)2=πd24A = \pi \left( \frac{d}{2} \right)^2 = \frac{\pi d^2}{4}

بنابراین مساحت مقاطع در نقاط A و B به صورت زیر خواهد بود:

\quad و \quad A_2 = \frac{\pi d_2^2}{4}$$ اگر قطر در مقطع B نسبت به مقطع A به اندازه 25 درصد افزایش یابد، یعنی: $$d_2 = 1.25 \cdot d_1$$ حال می‌توانیم نسبت مساحت‌ها را محاسبه کنیم: $$\frac{A_2}{A_1} = \frac{\frac{\pi d_2^2}{4}}{\frac{\pi d_1^2}{4}} = \frac{d_2^2}{d_1^2} = \left( \frac{1.25 d_1}{d_1} \right)^2 = (1.25)^2 = 1.5625$$ بنابراین مساحت مقطع B نسبت به مقطع A، 1.5625 برابر است. با توجه به قانون استمرار جریان، داریم: $$A_1 \cdot v_1 = A_2 \cdot v_2$$ که به شکل زیر می‌شود: $$v_2 = v_1 \cdot \frac{A_1}{A_2}$$ با جایگذاری نسبت مساحت‌ها: $$v_2 = v_1 \cdot \frac{1}{1.5625} \approx v_1 \cdot 0.64$$ بنابراین تندی آب در مقطع B نسبت به مقطع A حدود 64 درصد تندی در مقطع A خواهد بود، یعنی تندی آب 36 درصد کاهش می‌یابد. ### نتیجه‌گیری: تندی آب در مقطع B حدود 36 درصد کاهش می‌یابد. آیا نیاز به توضیحات بیشتری دارید یا سوال دیگری دارید؟ ### سوالات مرتبط: 1. چگونه می‌توان از قانون استمرار جریان در مسائل مختلف استفاده کرد؟ 2. چگونه تغییرات قطر لوله بر سرعت جریان تاثیر می‌گذارد؟ 3. در صورت تغییر شکل لوله به صورت غیر هندسی (مثلاً لوله خمیده)، چه تغییراتی در جریان رخ می‌دهد؟ 4. چگونه می‌توان مساحت مقطع یک لوله با اشکال مختلف (مثل بیضی) را محاسبه کرد؟ 5. در مسائل هیدرودینامیک، چگونه به تندی جریان و فشار در لوله‌ها ارتباط پیدا می‌کنیم؟ ### نکته: در مسائل هیدرودینامیکی، همیشه از قانون استمرار جریان برای تعیین رابطه بین سرعت و مساحت مقاطع لوله‌ها استفاده می‌شود.

Ask a new question for Free

By Image

Drop file here or Click Here to upload

Math Problem Analysis

Mathematical Concepts

Fluid Dynamics
Continuity Equation
Geometry (Area of a Circle)

Formulas

A1 * v1 = A2 * v2
A = π * (d/2)^2
d2 = 1.25 * d1
v2 = v1 * (A1/A2)

Theorems

Continuity Equation in Fluid Dynamics

Suitable Grade Level

Grades 10-12