Šķidruma statikas fizikas lauks

Šķidruma statika ir fizikas joma, kas ietver šķidrumu izpēti miera stāvoklī. Tā kā šie šķidrumi nedarbojas, tas nozīmē, ka tie ir sasnieguši stabilu līdzsvara stāvokli, tāpēc šķidruma statika galvenokārt ir saistīta ar šo šķidruma līdzsvara apstākļu izpratni. Koncentrējoties uz nesaspiežamiem šķidrumiem (piemēram, šķidrumiem) pretstatā saspiežamiem šķidrumiem (piemēram, lielākajai daļai) gāzes), to dažreiz dēvē par hidrostatika.

Miega stāvoklī esošam šķidrumam nav nekāda milzīga stresa, un tas izjūt tikai apkārtējā šķidruma (un sienu, ja tas ir traukā) normālo spēku, kas ir spiediens. (Plašāk par to zemāk.) Tiek uzskatīts, ka šāda šķidruma līdzsvara stāvokļa forma ir a hidrostatiskais stāvoklis.

Šķidrumi, kas nav hidrostatiskā stāvoklī vai miera stāvoklī un tāpēc ir kaut kādā kustībā, ietilpst citā šķidruma mehānikas jomā, šķidruma dinamika.

Apsveriet šķidruma šķērsgriezuma šķēli. Ir teikts, ka tas izjūt milzīgu stresu, ja tas izjūt stresu, kas ir plakana, vai stresu, kas norāda virzienā plaknē. Šāds milzīgs spriegums šķidrumā izraisīs kustību šķidrumā. Savukārt normāls stress ir spiediens uz šo šķērsgriezuma laukumu. Ja laukums ir pret sienu, piemēram, vārglāzes sāniem, šķidruma šķērsgriezuma laukums iedarbosies pret sienu (perpendikulāri šķērsgriezumam), tāpēc,

Normāla spēka jēdziens var būt pazīstams jau no agras fizikas studijām, jo ​​tas daudz parāda, strādājot un analizējot brīvās ķermeņa diagrammas. Kad kaut kas nekustīgi sēž uz zemes, tas nospiež uz zemes ar spēku, kas vienāds ar tā svaru. Zeme, savukārt, ievada normālu spēku objekta apakšpusē. Tas izjūt normālu spēku, bet normāls spēks neizraisa nekādu kustību.

Milzīgs spēks būtu, ja kāds spētu uz priekšmetu no sāniem, un tas izraisītu objekta pārvietošanos tik ilgi, lai tas varētu pārvarēt berzes pretestību. Spēka koplanārs šķidrumā tomēr netiks pakļauts berzei, jo starp šķidruma molekulām nav berzes. Tā ir daļa no tā, kas padara to par šķidrumu, nevis divām cietām vielām.

Bet, jūs sakāt, vai tas nenozīmē, ka šķērsgriezums tiek iespiests atpakaļ pārējā šķidrumā? Un vai tas nenozīmē, ka tas pārvietojas?

Tas ir lielisks punkts. Šī šķidruma šķērsgriezuma šķēlīte tiek iespiesta atpakaļ pārējā šķidrumā, bet, kad tas tiek izdarīts, pārējais šķidrums nospiež atpakaļ. Ja šķidrums nav saspiežams, šī stumšana neko nekur nepārvieto. Šķidrums gatavojas atgriezties, un viss paliks mierīgs. (Ja tas ir saspiežams, ir arī citi apsvērumi, taču pagaidām to vienkāršosim.)

Visi šie niecīgie šķidruma šķērsgriezumi spiež viens pret otru un pret trauka sienām. attēlo niecīgus spēka bitus, un visa šī spēka rezultāts ir vēl viens svarīgs šķidruma fiziskais īpašums: spiediens.

Šķērsgriezuma laukumu vietā ņemiet vērā šķidrumu, kas sadalīts mazos kubiņos. Apkārtējo šķidrumu (vai tvertnes virsmu, ja tā atrodas gar malu) nospiež uz katru kuba pusi, un tie visi ir normāli spriegumi pret šīm pusēm. Nesaspiežamais šķidrums mazajā kubā nevar saspiest (galu galā tas ir tas, ko nozīmē "nesaspiežams"), tāpēc šajos mazajos kubiņos spiediens nemainās. Spēks, kas nospiež uz vienu no šiem sīkajiem klucīšiem, būs normāli spēki, kas precīzi izdzēsīs spēkus no blakus esošajām kuba virsmām.

Šī spēku atcelšana dažādos virzienos ir galvenie atklājumi saistībā ar hidrostatisko spiedienu, kas pēc izcilā franču fiziķa un matemātiķa ir pazīstams kā Paskāla likums. Blēzs Paskāls (1623-1662). Tas nozīmē, ka spiediens jebkurā punktā ir vienāds visos horizontālajos virzienos, un tāpēc spiediena izmaiņas starp diviem punktiem būs proporcionālas augstuma starpībai.

Vēl viena galvenā koncepcija, lai izprastu mainīgu statiku, ir blīvums šķidruma. Tas iekļauts Paskāla likuma vienādojumā, un katram šķidrumam (kā arī cietām vielām un gāzēm) ir blīvums, ko var noteikt eksperimentāli. Šeit ir nedaudz kopējie blīvumi.

Blīvums ir masa uz tilpuma vienību. Tagad padomājiet par dažādiem šķidrumiem, visus sadalot tajos sīkajos kubiņos, kurus es minēju iepriekš. Ja katrs mazais kubs ir vienāda izmēra, tad blīvuma atšķirības nozīmē, ka sīkiem kubiņiem ar dažādu blīvumu tajos būs atšķirīgs masas daudzums. Lielāka blīvuma sīkā kubā būs vairāk “sīkumu” nekā mazāka blīvuma mazā kubā. Augstāka blīvuma kubs būs smagāks par mazāka blīvuma mazu kubiņu, un tāpēc tas nogrims salīdzinājumā ar mazāka blīvuma mazu kubu.

Tātad, ja jūs sajaucat divus šķidrumus (vai pat bez šķidrumus) kopā, blīvākās daļas nogrims, jo mazāk blīvās daļas celsies. Tas ir acīmredzams arī peldspēja, kas izskaidro, kā šķidruma pārvietošana rada augšupvērstu spēku, ja atceraties savu Arhimēdi. Ja jūs pievērsīsit uzmanību divu šķidrumu sajaukšanai, kamēr tas notiek, piemēram, sajaucot eļļu un ūdeni, būs daudz šķidruma kustības, un to šķidruma dinamika.

Bet, tiklīdz šķidrums sasniegs līdzsvaru, jums būs dažāda blīvuma šķidrumi, kas sadalījušies slāņos, ar visaugstāko blīvuma šķidrumu, kas veido apakšējo slāni, līdz jūs sasniegsit zemāko blīvums šķidrums uz augšējā slāņa. Tā piemērs ir parādīts šīs lapas grafikā, kur dažāda veida šķidrumi ir diferencēti stratificētos slāņos, pamatojoties uz to relatīvo blīvumu.