Уравнение неразрывности
англ. Continuity equation
Следствие сохранения массы для потока: сколько жидкости входит в трубу, столько и выходит; в сужениях поток ускоряется, расход вдоль русла остаётся неизменным.
Река у моста: опоры сжимают русло, и вода между ними несётся заметно быстрее, хотя выше и ниже по течению плёс лениво катится одинаково. Ни капля не исчезает и не берётся из ниоткуда — вот вся суть уравнения неразрывности. Для несжимаемой жидкости оно утверждает простую вещь: объёмный расход одинаков в любом сечении потока. Произведение площади сечения на скорость постоянно: где русло уже, течение быстрее, а где широко — медленнее.
В дифференциальной форме закон звучит строже: — масса не возникает и не гибнет ни в одной точке пространства. Плотность несжимаемой жидкости постоянна, и остаётся условие нулевой дивергенции скорости. Числовой пример: труба диаметром 5 см при м/с пропускает л/с; сечение, суженное вчетверо, ускоряет поток до м/с. Математический аппарат раскрыт в материале дивергенция, векторный язык потока — в шпаргалке векторная алгебра, вывод из сохранения массы — в уроке гидростатика и гидродинамика.
Частые вопросы
Почему в узкой части трубы течение быстрее?
Жидкость практически несжимаема, поэтому через любое сечение за секунду проходит одинаковый объём. Если площадь сечения уменьшилась, скорость обязана вырасти во столько же раз — иначе где-то образовались бы пустота или бесконечное скопление жидкости. Получается эстафета сечений: каждый литр, вошедший слева, обязан выйти справа. Перепад скоростей уже порождает падение давления в сужении, которое описывает уравнение Бернулли, а неразрывность задаёт саму скорость.
Работает ли уравнение неразрывности для газов?
Да, но в полной форме с плотностью. Газ сжимаем: давление меняет , и постоянным остаётся не объёмный, а массовый расход — сколько килограммов вошло, столько и вышло. Для медленных течений воздуха с малыми перепадами давления сжимаемостью пренебрегают, и работает версия : вентиляция и ветровые расчёты обходятся ею. Строгая формулировка — локальный закон сохранения массы, частный случай уравнения в частных производных.