Занимательная физика. Гидродинамика : манга

Çàíèìàòåëüíàÿ ôèçèêà

ÃÈÄÐÎÄÈÍÀÌÈÊÀ

Ìàíãà

О Б Р А З О В А Т Е Л Ь Н А Я  М А Н Г А
ÇÀÍÈÌÀÒÅËÜÍÀß ÔÈÇÈÊÀ
ГИДРОДИНАМИКА

Такэи Масахиро
Мацусита Маи

Перевод
Перевод 
с японского
с японского
Клионского А.Б.
Клионского А.Б.

Ìîñêâà 
Äîäýêà, ÄÌÊ Ïðåññ, 2023

 2-е издание, электронное

УДК 532.5.013
ББК 22.253.3
М31

М31

Масахиро, Такэи.

Занимательная физика. Гидродинамика : манга / Масахиро Такэи (автор), Маи Мацусита (худож.) ; пер. с яп. А. Б. Клионского. — 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 209 с. — Москва : 
ДМК Пресс, Додэка-XXI, 2023. — (Образовательная манга). — Систем. требования: Adobe 
Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.

ISBN 978-5-89818-411-7
Аканэ, Сираиси и Эки учатся в одной школе и дополнительно занимаются в физическом кружке. Аканэ — самая старшая, она староста кружка, Сираиси — самый умный, а Эки — самая непредсказуемая и верит в оккультные науки. Однажды Эки приснился вещий сон, в котором упал 
самолёт и утонул корабль. И тогда у неё возник вопрос — а почему вообще самолёты летают, а 
корабли не тонут. Оказалось, что наука, которая может дать ответ на эти и другие вопросы, называется гидродинамикой или механикой текучих сред, и Эки и Аканэ попросили Сираиси рассказать про неё.
Вместе с нашими героями мы совершим увлекательное путешествие в мир текучих сред и 
узнаем много нового и интересного об их свойствах и законах, которым они подчиняются, и 
которые мы используем в повседневной жизни, даже не догадываясь об этом.

УДК 532.5.013 
ББК 22.253.3

Электронное издание на основе печатного издания: Занимательная физика. Гидродинамика : манга / 
Масахиро Такэи (автор), Маи Мацусита (худож.) ; пер. с яп. А. Б. Клионского. — Москва : ДМК Пресс, 
Додэка-XXI, 2015. — 208 с. — (Образовательная манга). — ISBN 978-5-97060-117-4. — Текст : непосредственный.

Издательство выражает благодарность В. О. Панфилову

Все права защищены. Никакая часть этого издания не может быть воспроизведена в любой форме или любыми 
средствами, электронными или механическими, включая фотографирование, ксерокопирование или иные средства 
копирования или сохранения информации, без письменного разрешения издательства.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты 
авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-411-7
© 2009 by Masahiro Takeo and Office sawa
© Перевод, Издательский дом «Додэка-XXI», 2013
© Оформление, издание, ДМК Пресс, 2015

ПРЕДИСЛОВИЕ

На многих технических кафедрах – машиностроительных, инженерно-строитель
ных, архитектурных, химико-технологических, – механика, как часть физики, является обязательным предметом. Особую сложность представляет гидродинамика (механика текучих сред), так как в ней присутствует очень много формул, и, вдобавок ко 
всему, объектом изучения является движение газов и жидкостей, которое нельзя 
увидеть непосредственно глазом. В связи с этим, гидродинамика имеет репутацию 
«очень сложной дисциплины», которую многие недолюбливают.
Я уже 8 лет преподаю механику текучих сред в университете, и каждый год встречаю много студентов, которые совершенно не в состоянии её понять. Такие студенты, 
упустив шанс понять эту дисциплину, в конце концов совершенно разочаровывались 
в ней. У меня создаётся впечатление, что подобная тенденция усиливается с каждым 
годом. Мне кажется, что если бы существовало побольше учебных материалов и 
книг, которые давали бы шанс понять гидродинамику, то можно было бы преодолеть 
это отрицательное явление.
Цель данной книги – объяснить гидродинамику студентам, потерявшим «шанс к 
пониманию», а также людям, которые услышали о ней впервые. Мне кажется, что 
ещё не так давно многие имели предубеждение по поводу использования манги для 
изучения научных дисциплин. Однако в настоящее время манга уже прочно вошла в 
японскую культуру, заняв прочную позицию как одно из выразительных средств. И 
если это новое выразительное средство поможет вашей учёбе, дав шанс к пониманию 
этой дисциплины, то можно будет сказать, что эта книга в полной мере достигла своей цели. Читайте эту книгу непринуждённо, и она станет для вас проводником в мир 
механики текучих сред.
В заключение я должен отметить ту огромную поддержку, которую мне оказали 
г-н Чжао Тонг из Лаборатории Такэи Кафедры машиностроения Технического факультета университета Нихон, сотрудники компании Office Sawa, отвечавшие за 
оформление, г-жа Мацусита Маи – художница манги, а также сотрудники издательства Ohmsha, давшие мне возможность взяться за перо. Выражаю им всем свою 
огромную признательность.

Такэи Масахиро
октябрь 2009

V

СОДЕРжанИЕ

Пролог.
ЧТО ЭТО – ВЕЩИЙ СОН?! ОККУЛЬТНАЯ  
ДЕВЧОНКА И МЕХАНИКА ТЕКУЧИХ СРЕД .............. 1

Глава 1.
СВОЙСТВА И СТАТИКА ТЕКУЧИХ СРЕД ...............11

1. Твёрдые тела и текучие среды ...........................................12
Извольте, чай со льдом .............................................................................................12

2. Сила и давление ............................................................17
Готовим в скороварке ................................................................................................17
Осваиваем уравнение равновесия сил ................................................................ 23

3. Плотность и относительная плотность ...................................25
Закон Паскаля ............................................................................................................. 25

4. Секрет густой лапши «рамэн» ............................................28
Я что, супермен?! ........................................................................................................ 28

5. Зависимость давления от высоты и измерение давления ..............31
Отвези меня на дайвинг с аквалангом .................................................................31
О смысле знака Δ , который используется в обозначении Δp.................... 35
Скорость и ускорение ................................................................................................ 36
Жидкостный манометр ............................................................................................. 37

6. Полное давление, действующее на плоскую стенку ...................39
Очарованные в океанариуме................................................................................... 39

7. Сила плавучести ............................................................42
Почему корабли не тонут? ...................................................................................... 42

Глава 2.
ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ТЕЧЕНИЯ .....................49

1. Разнообразные термины, используемые в механике текучих сред ...50
Пожалуйста, не изменяйся (Стационарное и нестационарное течения) ....... 52
Скорость и направление (Однородное и неоднородное течения).............. 53

VI

Привет, я - частица текучей среды!  
(Скорость текучей среды и расход текучей среды) ................................... 55
Преследовать? Или поджидать? (метод Лагранжа и метод Эйлера) ....... 56
И такая линия, и вот такая линия  
(Линии тока, траектории и трубки тока) ....................................................... 58
Что можно понять, играя с водой  
(Силы, действующие на текучую среду) ...................................................... 60
Попробуем сдвинуть колоду карт (сдвигающая сила) .................................. 63

2. Уравнение неразрывности ..................................................66
Похищения призраками не происходит?! (Закон сохранения массы) ..... 66
Об уравнении неразрывности ................................................................................. 70

3. Теорема Бернулли ..........................................................71
Покатаемся на американских горках! (Закон сохранения энергии тела) ......71
Прогуливаемся вдоль линий тока.  
(Закон сохранения энергии текучей среды, теорема Бернулли) .......... 72
О единицах измерения энергии ............................................................................ 75
Наступаем на шланг!  
(Отношения между скоростью текучей среды и давлением) ................ 76

4. Закон сохранения импульса ...............................................80
Поиграем с колыбелью Ньютона (Закон сохранения импульса).............. 80
Закон сохранения импульса для колыбели Ньютона .....................................81
Приложим силу извне (Импульс силы) ............................................................. 83
В потайной комнате. (Закон сохранения импульса текучей среды) ......... 86

Глава 3.
ЛАМИНАРНОЕ И ТУРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ ..........95

1. Течение, обладающее вязкостью .........................................96
Густо? Или жидко? (Вязкость) ............................................................................... 98
Вредина, мешающая течению (Сила вязкости) ................................................ 99
То ускоряет, то замедляет (Механизм действия силы вязкости) ..............100
Что это - призрак? (Идеально текучая среда и вязкая текучая среда) ......104
Что такое градиент скорости? (Закон вязкости Ньютона) ...........................106
Насколько это густо? (Коэффициент вязкости  
и коэффициент кинематической вязкости) ................................................ 110
Великий закон, выражающий свойства течения? (Число Рейнольдса) ....111

2. Ламинарное течение и турбулентное течение ......................... 113
Ой, оно пришло в беспорядок (Свойства турбулентного течения) ........... 113
Наблюдаем за дымом (Ламинарное течение и турбулентное течение) ...... 115
Льём чернила (Опыт Рейнольдса) ....................................................................... 116

VII

3. Ламинарное течение внутри трубы ..................................... 117
Течение внутри соломинки (Средняя скорость текучей среды  
и распределение скоростей текучей среды) .............................................. 117
Поглядим пристально на формулу!  
(Течение с параболическим распределением) .........................................120
Какова природа таинственной силы? (Разность давлений).........................122
Хочу выпить побольше! (Связь между коэффициентом вязкости  
и расходом текучей среды) ..............................................................................126
Можно ли выпить молочный коктейль без проблем?  
(Расширенное уравнение Бернулли) ..............................................................128
Потери давления в изогнутых трубах ................................................................134
Вода, оставшаяся в ванне, и нефть Аравийского моря?! ...............................138

Глава 4.
ЛОБОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ И ПОДЪЁМНАЯ СИЛА ... 139

1. Лобовое сопротивление и подъёмная сила, действующие на тело ... 140
Почему птицы и самолёты могут летать по небу? (Подъёмная сила) .......143
Почему яхта движется против ветра (Использование подъёмной силы) .....146
Что общего между крылом и парусом (Теорема о кривизне линий тока) .....149
Чудеса с ложкой?! (Опыт с подъёмной силой) ..............................................153
Я устала плавать (Лобовое сопротивление) ....................................................155
Трудная дилемма! (Коэффициент лобового сопротивления  
и коэффициент подъёмной силы) ................................................................157
Потеря скорости?! (Угол атаки, отрыв) ............................................................. 161

2. Силы, действующие на вращающееся тело ........................... 163
Почему поворачивает кручёный мяч? (Эффект Магнуса) ...........................163
Искраплённое лучше, чем гладкое?  
(Снижение сопротивления воздуха) ..............................................................167
И тогда мяч повернул ..............................................................................................172

3. Отрыв течения ............................................................ 172
Страшное событие в маленьком мирке?! (Отрыв) ..........................................174

ЭПИЛОГ ................................................. 182
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................ 193
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ ........................... 194

VIII

Пролог

Что это - вещий сон?! 
оккультная девЧонка 
и механика текуЧих сред

Хлоп

Спасибо, 

Аканэ!

Значит, так! 
Представляете!
Так какой же 
сон ты видела 

на этот раз?

Извини...

Ха­ха­ха

Вас что, это 
не волнует?!

Почему она такая 

неугомонная?

А... 

Доброе утро, 

Эки­сан.

Вещий сон!!!

Сегодня мне опять 

приснился вещий сон!

Это очень 

важно!!

Топ

Стук

Эй, 

послушайте...

Топ
Топ

Топ

лаборатория

Оккультная

Шурх, 
шурх

2