实验21 动量定律实验。
一、实验目的的要求。
1．验证不可压缩流体恒定流的动量方程；
2．通过对动量与流速、流量、出射角度、动量矩等因素间相互性的分析研讨，进一步掌握流体动力学的动量守恒定理；
3．了解活塞式动量定律实验仪原理、构造，进一步启发与培养创造性思维的能力。
二、实验装置。
本实验的装置如图1所示。 图1
自循环供水装置1由离心式水泵和蓄水箱组合而成。水泵的开启、流量大小的调节均由调速器3控制。水流经供水管供给恒压水箱5，溢流水经回水管流回蓄水箱。
流经管嘴6的水流形成射流，冲击带活塞和翼片的抗冲平板8，并以与入射角成90的方向离开抗冲平板。抗冲平板在射流冲力和测压管7中的水压力作用下处于平衡状态。活塞形心水深可由测压管7测得，由此可求得射流的冲力，即动量力f。
冲击后的弃水经集水箱汇集后，再经上回水管流出，最后经漏斗和下回水管流回蓄水箱。
为了自动调节测压管内的水位，以使带活塞的平板受力平衡并减小摩擦阻力对活塞的影响，本实验装置应用了自动控制反馈原理和动摩擦减阻技术，其构造如下：
带活塞和翼片的抗冲平板8和带活塞套的测压管7如图2所示，该图是活塞退出活塞套时的分部件示意图。活塞中心设有一细导水管a，进口端位于平板中心，出口端伸出活塞头部，出口方向与轴向垂直。在平板上设有翼片b，活塞套上设有窄槽c。
工作时，在射流冲击力作用下，水流经导水管a向测压管7内加水。当射流冲击力大于测压管内水柱对活塞的压力时，活塞内移，窄槽c关小，水流外溢减少，使测压管内水位升高，水压力增大。反之，活塞外移，窄槽开大，水流外溢增多，测管内水位降低，水压力减小。
在恒定射流冲击下，经短时段的自动调整，即可达到射流冲击力和水压力的平衡状态。这时活塞处在半进半出、窄槽部分开启的位置上，过a流进测压管的水量和过c外溢的水量相等。由于平板上设有翼片b，在水流冲击下，平板带动活塞旋转，因而克服了活塞在沿轴向滑移时的静摩擦力。
为验证本装置的灵敏度，只要在实验中的恒定流受力平衡状态下，人为地增减测压管中的液位高度，可发现即使改变量不足总液高度的‰（约0.5～1mm），活塞在旋转下亦能有效地克服动摩擦力而作轴向位移，开大或减小窄槽c，使过高的水位降低或过低的水位提高，恢复到原来的平衡状态。这表明该装置的灵敏度高达0.
5%，亦即活塞轴向动摩擦力不足总动量力的5‰。
图2三、实验原理。
恒定总流动量方程为。
取脱离体如图2（右边）所示，因滑动摩擦阻力水平分力，可忽略不计，故x方向的动量方程化为
即 式中：——作用在活塞形心处的水深；
d——活塞的直径；
q——射流流量；
—射流的速度；
—动量修正系数。
实验中，在平衡状态下，只要测得流量q和活塞形心水深，由给定的管嘴直径d和活塞直径d，代入上式，便可率定射流的动量修正系数值，并验证动量定律。其中，测压管的标尺零点已固定在活塞的圆心处，因此液面标尺读数，即为作用在活塞圆心处的水深。
四、实验方法与步骤。
1．准备熟悉实验装置各部分名称、结构特征、作用性能，记录有关常数。
2．开启水泵打开调速器开关，水泵启动2～3分钟后，关闭2～3秒钟，以利用回水排除离心式水泵内滞留的空气。
3．调整测压管位置待恒压水箱满顶溢流后，松开测压管固定螺丝，调整方位，要求测压管垂直、螺丝对准十字中心，使活塞转动松快。然后旋转螺丝固定好。
4．测读水位标尺的零点已固定在活塞圆心的高程上。当测压管内液面稳定后，记下测压管内液面的标尺读数，即值。
5．测量流量用体积法或重量法测流量时，每次时间要求大于20秒，需重复测三次再取均值。
6．改变水头重复实验逐次打开不同高度上的溢水孔盖，改变管嘴的作用水头。调节调速器，使溢流量适中，待水头稳定后，按3-5步骤重复进行实验。
7．实验结束后，关闭水泵开关，拔下电源插头，放空水箱，擦干实验台和附近地面上的水迹。
注意事项：1，实验量测一定要待水流稳定后才能进行。
2，每次测量流量后，水桶中的水要倒进装置中的回流接水槽，以免循环水不够。
3，注意爱护秒表、电子称等辅助实验工具。
五、实验成果及要求：
1．记录有关常数。 实验装置台号 no.
管嘴内径d= 1.195cm, 活塞直径d= 1.993cm
2.编制实验参数记录、计算**并填入实验参数、实测数据（见表1）。
六、实验分析与讨论：
1．实测与公认值（）符合与否？如不符合，试分析原因。
不符合，其最大可能原因之一是翼轮不转所致。为排除此故障，可用4b铅笔芯涂抹活塞及活塞套表面。另外的最大可能原因是测量误差。
2．带翼片的平板在射流作用下获得力矩，这对分析射流冲击无翼片的平板沿x方向的动量方程有无影响？为什么？
无影响。因带翼片的平板垂直于x轴，作用在轴心上的力矩t，是由射流冲击平板是，沿yz平面通过翼片造成动量矩的差所致。即。
式中 q——射流的流量；
vyz1——入流速度在yz平面上的分速；
vyz2——出流速度在yz平面上的分速；
1——入流速度与圆周切线方向的夹角，接近90°；
2——出流速度与圆周切线方向的夹角；
r1,2——分别为内、外圆半径。
该式表明力矩t恒与x方向垂直，动量矩仅与yz平面上的流速分量有关。也就是说平板上附加翼片后，尽管在射流作用下可获得力矩，但并不会产生x方向的附加力，也不会影响x方向的流速分量。所以x方向的动量方程与平板上设不设翼片无关。
3．通过细导水管的分流，其出流角度与相同，试问对以上受力分析有无影响？
无影响。当计及该分流影响时，动量方程为。
即。该式表明只要出流角度与v1垂直，则x方向的动量方程与设置导水管与否无关。
4．滑动摩擦力为什么可以忽略不计？试用实验来分析验证的大小，记录观察结果。（提示：平衡时，向测压管内加入或取出1mm左右深的水，观察活塞及液位的变化）
因滑动摩擦力‰，故可略而不计。
在恒定流受压平平衡的状态下，如第三次实验，此时hc=15.2cm，当向测压管内注入1mm左右深的水时，活塞所受的静压力增大，约为射流冲击力的0.5%。
假如活动摩擦力大于此值，则活塞不会作轴向移动，亦即hc变为15.3cm左右，并保持不变，然而实际上，此时活塞很敏感地作左右移动，自动调整测压管水位直至hc仍恢复到15.2cm为止。
这表明活塞和活塞套之间的轴向动摩擦力几乎为零，故可不予考虑。
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