Vapaasti putoavaan vesipisaraan verrattuna vesiputouksella on takanaan jatkuva potentiaalienergian aiheuttama työntövoima. Vesiputouksen vesi ei siis leijaile ilmassa kuten yksittäinen vesipisara.
Mikä on vesiputouksen korkein mahdollinen nopeus vesipatsaan korkeuden ja poikkileikkauksen pinta-alan funktiona?
Mikä on vesiputouksen korkein mahdollinen nopeus vesipatsaan korkeuden ja poikkileikkauksen pinta-alan funktiona?
Vastaukset 5
Vanhimmat
Jos paine-ero pystytään muuttamaan häviöttömästi nopeudeksi, niin
v=sqrt( 2 g h )
Häviöiden takia v jää todellisuudessa pienemmäksi.
Vesiputoksessa vesi putoaa enintään vapaan pudotuksen nopeudella. Yläpuolella oleva vesi ei pääse painamaan allaan olevaa vettä suurempaan nopeuteen siksi, että yläpuolinen vesi putoaa alapuolista vettä hitaammin.
Kun vesivirran nopeus kasvaa riittävän suureksi niin viskositeetti ja pintajännitys ei riitä pitämään vettä kasassa ilmanvastuksen vuoksi. Tuon kohdan alapuolella yhtenäinen vesipatsas hajoaa ensin isommiksi palasiksi ja lopulta pisaroiksi.
Paineen vaikutus etenee äänennopeudella, eli vedessä noin 1500 m/s.
Vesi voi painaa alapuolellaan olevaa vettä yhtenäisessä vesipatsaassa silloinkin, kun alapuoleinen osa vettä etenee nopeammin, kunhan nopeusero on alle tuon 1500 m/s.
Jokaista vesipatsaan sisäosissa olevaa vesipisaraa vetää siis alaspäin sekä gravitaatiovoima että paine-erosta johtuva voima, mikä voi olla myös alaspäin. Patsaan ulkopinnalla kuvaan astuu mukaan myös ilmanvastus, mikä on aina liikettä hidastava voima.
Jokin vesipisara voi siis hetkellisesti kiihtyä vesipatsaan sisällä g:tä suuremmalla kiihtyvyydellä silloin, kun paine-ero sitä painaa alaspäin. Loppunopeuteen tällä ei tietenkään ole mitään vaikutusta, energiaa ei tule tyhjästä, ja alaspainavalla paine-eron aikaansaamalla voimalla on aina vastavoimansa, mikä kuhdistuu ylempänä olevaan vesipisaraan vähentäen sen kiihtyvyyttä, ja siten kumoten myöhemmän suuremman kiihtyvyyden muuten aikaansaaman suuremman loppunopeuden, kuten energian säilymisen laki myös edellyttää.
Entäs jos vesi virtaa alaspäin jatkuvana virtana kilometrien korkuisessa usean neliön poikkipinta-alaisessa (optimaalisesti kapenevassa) äärettömän lujassa putkessa? Ei ilmanvastusta.
Putken seinämät aiheuttaisivat viskositeetin vuoksi kitkavoiman, joka muuttaisi virtauksen tiettyä suuremmassa nopeudessa pyörteiseksi. Seinämään kosketuksissa oleva reunimmainen vesikerros kun olisi lähes paikallaan. Seinämien olemassaolo aiheuttaa aina nopeudesta riippuvaa virtausvastusta, joka määrää loppunopeuden. Yläpuolisen vesipatsaan paine alkaisi näkyä virtausvastuksen kasvaessa, mutta kapeassa putkessa alkaisi näkyä myös virtauksen suunnassa painehäviötä.
Tyhjiössä ilman seinämiä ja kiehumatta putoava laminaarinen (pyörteetön) vesivirtaus sekin muuttuu pyörteiseksi siinä vaiheessa, kun vesivirran halkaisija alkaa olla riittävän pieni. Kapenevassa vesisuihkussa veden pintajännitys aiheuttaa voiman, joka tekee virtauksesta epästabiilin ja saa sen lopulta hajoamaan pisaroiksi.