Занимательная физика. Гидродинамика. Манга

ГИДРОДИНАМИКА

Такэи Масахиро
Мацусита Маи

ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА 
ГИДРОДИНАМИКА МАНГА

ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА
М А НГА

9 785970 601174

ISBN 978-5-97060-117-4

Такэи Масахиро
Мацусита Маи 
Office sawa

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

З А НИМ А Т Е Л Ь НА Я Ф ИЗ ИКА
ГИДРОДИНАМИКА

М А Н Г А

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.

Интернет-магазин: www.dmkpress.com

Книга-почтой: orders@alians-kniga.ru

Оптовая продажа: “Альянс-книга“ 
(499)782-3889. books@alians-kniga.ru
www.дмк.рф

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.

Москва
Додэка, ДМК Пресс, 2015

УДК 532.5.013
ББК 22.253.3

М31

Масахиро, Такэи.

М31
Занимательная физика. Гидродинамика. Манга. / Такэи Масахиро (ав
тор), Мацусита Маи (худож.); пер. с яп. Клионского А. Б. — М. : ДМК Пресс, 
2015. — 208 с. : ил. — (Серия «Образовательная манга»). — Доп. тит. л. яп. — 
ISBN 978-5-97060-117-4.

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 те
кучих 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

Original Japanese edition 

Manga de Wakaru Ryuutai Rikigaku (Manga Guide: Fluid Dynamics)

Masahiro Takei (Author), Mai Matsushita (Illustrator) and Office sawa (Producer)

Russian language edition copyright © 2015 by DMK Press

Translation rights arranged with Ohmsha, Ltd.

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

ISBN 978-4-274-06773-0 (яп.)
Copyright © 2009 by Masahiro Takeo and Office sawa

ISBN 978-5-94120-267-6 (Додэка)
© Перевод, Издательский дом «Додэка-XXI», 2013

ISBN 978-5-97060-117-4 (ДМК Пресс)
© 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

Топ
топ
Ну, раз 

ты просишь 

меня 

объяснить....

Грр...

Тогда ты, Аканэ, 

объясни мне это...

Ты что, ещё 

не закончила 

младшую 

школу?

Как они 
плавают 

и летают?!

Тяжёлые куски 
железа могут 

плавать и летать 

разве это 

не чудо!

Швырь...

Меня стало беспокоить: а вообще, 

почему самолёты летают? 

И почему корабли не тонут?

Мм... Но этот сон 
никак не выходит 
у меня из головы.

Помнишь, как ты шумела 
в прошлый раз? Но ведь 

всё обошлось...

Несчастье 

у тебя 

с головой...

Ааа!
Ааа!

Было так страшно! 

Утонул корабль! 

Упал самолёт!

Может быть, 

лучше сообщить 

на телевидение?! Иначе 
несчастья не избежать!

Бабах

3

Твои познания 

вроде как на уровне 

института. Так что 
давай, объясняй! 

Эй, Сираиси!

Да!

Так, с чего 
бы начать...

Наука, которая 

может дать 

ответ на вопрос 

Эки­сан, это...

Дун

...механика 

текучих сред!

Слышали такое 

название?!

В школе её не изучают, 
но она тесно связана 

с тем, что нас окружает.

Механика текучих сред?

Мм... 

Ну, механику 
мы изучали...

Но что такое 

«текучие среды»?

Круть

Например, 
смотрите...

Что сейчас 
находится 

вокруг нас?

Сонмы 
призраков?!

Наверное, 

лишь 

воздух, 

да?

Дёрг

А что польётся, 

если мы 

откроем кран?

Ой, 

а вдруг 

кровь? Как 

страшно!

Тум

Тум

Ну конечно 

вода.

4