Физическое поле гидродинамики

Жидкая статика - это область физики, которая включает изучение жидкостей в покое. Поскольку эти жидкости не находятся в движении, это означает, что они достигли стабильного состояния равновесия, поэтому статика жидкости в основном сводится к пониманию этих условий равновесия жидкости. При фокусировке на несжимаемых жидкостях (таких как жидкости), в отличие от сжимаемых жидкостей (таких как большинство газов), иногда его называют гидростатика.

Жидкость в состоянии покоя не подвергается никакому явному напряжению, а испытывает только влияние нормальной силы окружающей жидкости (и стенок, если она находится в контейнере), которая является давление. (Подробнее об этом ниже.) Эта форма равновесного состояния жидкости называется гидростатическое состояние.

Жидкости, которые не находятся в гидростатическом состоянии или в состоянии покоя и, следовательно, находятся в каком-либо движении, попадают в другую область механики жидкости, динамика жидкости.

Рассмотрим поперечный срез жидкости. Говорят, что он испытывает явное напряжение, если оно испытывает копланарное напряжение или напряжение, которое указывает в направлении внутри плоскости. Такое явное напряжение в жидкости вызовет движение внутри жидкости. Нормальное напряжение, с другой стороны, является толчком в эту площадь поперечного сечения. Если область находится напротив стены, например, со стороны стакана, то площадь поперечного сечения жидкости будет оказывать воздействие на стенку (перпендикулярно поперечному сечению, поэтому не Копланарность к нему). Жидкость прилагает усилие к стенке, а стенка прилагает усилие назад, поэтому существует суммарное усилие и, следовательно, никаких изменений в движении.

Понятие нормальной силы может быть знакомо с самого начала изучения физики, потому что оно много показывает при работе и анализе диаграммы свободного тела. Когда что-то неподвижно лежит на земле, оно толкается к земле с силой, равной его весу. Земля, в свою очередь, оказывает нормальное усилие на дно объекта. Он испытывает нормальную силу, но нормальная сила не приводит ни к какому движению.

Если бы кто-то толкнул объект со стороны, это явная сила, которая заставляла бы объект двигаться так долго, что он мог бы преодолеть сопротивление трения. Копланарная сила внутри жидкости, однако, не будет подвержена трению, потому что между молекулами жидкости нет трения. Это часть того, что делает его жидким, а не двумя твердыми телами.

Но, вы говорите, не означает ли это, что поперечное сечение выталкивается обратно в остальную жидкость? И не значит ли это, что он движется?

Это отличный момент. Этот кусочек жидкости в поперечном сечении выталкивается обратно в оставшуюся часть жидкости, но когда это происходит, остальная часть жидкости выталкивается назад. Если жидкость несжимаема, то это толчок никуда не сдвинет. Жидкость отодвинется, и все останется на месте. (Если сжимаем, есть и другие соображения, но давайте пока будем проще).

Все эти крошечные сечения жидкости толкают друг к другу и к стенкам контейнера, представляют крошечные кусочки силы, и вся эта сила приводит к другому важному физическому свойству жидкости: давление.

Вместо областей поперечного сечения рассмотрим жидкость, разделенную на крошечные кубики. Каждая сторона куба выталкивается окружающей жидкостью (или поверхностью контейнера, если вдоль края), и все это нормальные напряжения на этих сторонах. Несжимаемая жидкость в крошечном кубе не может сжиматься (в конце концов, это означает «несжимаемая»), поэтому внутри этих крошечных кубиков не происходит изменения давления. Сила, нажимающая на один из этих крошечных кубиков, будет нормальной силой, которая точно компенсирует силы от соседних поверхностей куба.

Эта отмена сил в различных направлениях является одним из ключевых открытий в отношении гидростатического давления, известного как закон Паскаля после блестящего французского физика и математика Блез Паскаль (1623-1662). Это означает, что давление в любой точке одинаково во всех горизонтальных направлениях, и поэтому изменение давления между двумя точками будет пропорционально разнице в высоте.

Другой ключевой концепцией в понимании гидродинамики является плотность жидкости. Он фигурирует в уравнении закона Паскаля, и каждая жидкость (а также твердые частицы и газы) имеют плотности, которые можно определить экспериментально. Вот горстка общие плотности.

Плотность - это масса на единицу объема. Теперь подумайте о различных жидкостях, все они разбиты на те крошечные кубики, о которых я упоминал ранее. Если каждый крошечный кубик имеет одинаковый размер, то различия в плотности означают, что крошечные кубики с разной плотностью будут иметь разное количество массы. Крошечный кубик с более высокой плотностью будет содержать больше «материала», чем крошечный кубик с более низкой плотностью. Куб с более высокой плотностью будет тяжелее крошечного куба с более низкой плотностью и, следовательно, будет тонуть по сравнению с крошечным кубом с более низкой плотностью.

Таким образом, если вы смешаете две жидкости (или даже не жидкости) вместе, более плотные части будут тонуть, а менее плотные части будут расти. Это также очевидно в принципе плавучесть, это объясняет, как вытеснение жидкости приводит к восходящей силе, если вы помните Архимед. Если вы обратите внимание на смешивание двух жидкостей во время этого процесса, например, когда вы смешиваете масло и воду, будет много движения жидкости, и это будет динамика жидкости.

Но как только жидкость достигнет равновесия, у вас будут жидкости различной плотности, которые оседают на слои, причем жидкость с наивысшей плотностью образует нижний слой, пока вы не достигнете самого низкого плотность жидкость на верхнем слое. Пример этого показан на графике на этой странице, где жидкости разных типов дифференцируются в слоистые слои в зависимости от их относительной плотности.