Wypływ ze zbiornika

Jak szybko woda wytryska z otworu i ile czasu zajmie opróżnienie zbiornika?

p— = ρ— · g9,81 m/s² · h—
v— = φ— · √2gh    Q— = μ— · A √2gh 

Co pokazuje model

Zbiornik stoi na podstawie, a woda wypływa przez otwór w dnie, w ścianie albo przez dyszę skierowaną w górę i spada do wanny. Niebieski trójkąt obok zbiornika to wykres ciśnienia: przy powierzchni ciśnienie jest zerowe, a z głębokością rośnie liniowo aż do ρgh na dnie. Wymiar h mierzy wysokość wody nad otworem, bo to ona decyduje o prędkości strumienia.

Skąd bierze się wzór

Nad otworem stoi słup cieczy o wysokości h. Naciska z ciśnieniem

p = ρ g h

To ciśnienie wypycha ciecz przez otwór i zamienia się w energię kinetyczną. Z równania Bernoulliego dla punktu na powierzchni i punktu w strumieniu wynika ρv²/2 = ρgh, czyli

v = √(2gh)

To prawo Torricellego z 1643 roku: ciecz wypływa z taką prędkością, jaką miałoby ciało spadające swobodnie z wysokości h. Gęstość się skraca, dlatego rtęć i woda wypływają z tą samą prędkością, choć ciśnienie na dnie bardzo się różni.

Wydatek i współczynniki

Prawdziwy otwór przepuszcza mniej wody niż wynika ze wzoru, z dwóch powodów:

Q = μ A √(2gh),   μ = ε · φ
Wylotμφ
otwór o ostrej krawędzi0,620,97
wlot zaokrąglony0,950,97
krótka rurka (przystawek walcowy)0,820,82

Czas opróżniania

Gdy poziom opada, maleje ciśnienie, a z nim wydatek. Z bilansu objętości Az dh = −Q dt wynika czas opróżnienia

T = 2 Az √h0μ A √(2g)

To dwa razy dłużej, niż gdyby woda cały czas wypływała z początkową prędkością. Model liczy poziom krok po kroku i rysuje go na wykresie razem ze wzorem.

Kiedy wzór obowiązuje

Poziom wody liczony jest metodą Rungego–Kutty i porównany ze wzorem Torricellego, z wzorem na czas opróżnienia i z poziomem ustalonym przy dopływie. Tor strumienia to rzut ukośny bez oporu powietrza. Strumień jest rysowany 1,6 raza grubszy niż w skali, a krople poruszają się w czasie rzeczywistym niezależnie od tempa symulacji.