Pole fizyki statyki płynów

Statyka płynów to dziedzina fizyki polegająca na badaniu płynów w spoczynku. Ponieważ płyny te nie są w ruchu, oznacza to, że osiągnęły stabilny stan równowagi, więc statyka płynów polega w dużej mierze na zrozumieniu tych warunków równowagi płynów. Skupiając się na płynach nieściśliwych (takich jak ciecze) w przeciwieństwie do płynów ściśliwych (takich jak większość) gazy), czasami jest określany jako hydrostatyka.

Płyn w spoczynku nie podlega żadnemu zwykłemu naprężeniu i doświadcza jedynie wpływu normalnej siły otaczającego płynu (i ścian, jeśli jest w pojemniku), który jest nacisk. (Więcej na ten temat poniżej.) Mówi się, że ta forma stanu równowagi płynu stan hydrostatyczny.

Płyny, które nie są w stanie hydrostatycznym lub w spoczynku, a zatem są w pewnym ruchu, wchodzą w inne pole mechaniki płynów, dynamika płynów.

Rozważ plasterek płynu. Mówi się, że doświadcza zwykłego naprężenia, jeśli doświadcza naprężenia, które jest współpłaszczyznowe lub naprężenia, które wskazuje w kierunku w płaszczyźnie. Takie samo naprężenie w cieczy spowoduje ruch w cieczy. Z drugiej strony normalne naprężenie jest naciskiem na ten obszar przekroju. Jeśli obszar jest oparty o ścianę, na przykład bok zlewki, wówczas pole przekroju poprzecznego cieczy wywiera siłę na ścianę (prostopadle do przekroju poprzecznego - dlatego też

Pojęcie siły normalnej może być znane od wczesnych badań fizyki, ponieważ pokazuje wiele w pracy i analizie diagramy dowolnego ciała. Kiedy coś siedzi nieruchomo na ziemi, popycha je w dół z siłą równą jego ciężarowi. Ziemia z kolei wywiera normalną siłę z powrotem na spód obiektu. Doświadcza normalnej siły, ale normalna siła nie powoduje żadnego ruchu.

Sama siła byłaby, gdyby ktoś popchnął obiekt z boku, co spowodowałoby, że przedmiot poruszałby się tak długo, że mógłby pokonać opór tarcia. Jednak siła współpłaszczyznowa w cieczy nie będzie podlegać tarciu, ponieważ nie ma tarcia między cząsteczkami płynu. To część tego, co czyni go płynnym, a nie dwoma ciałami stałymi.

Ale, jak mówisz, czy nie oznacza to, że przekrój jest wsuwany z powrotem w resztę płynu? Czy to nie znaczy, że się rusza?

To jest doskonały punkt. Ta przekrój poprzeczny płynu jest wpychany z powrotem do reszty płynu, ale kiedy to robi, reszta płynu odpycha się z powrotem. Jeśli płyn jest nieściśliwy, to popychanie nigdzie niczego nie poruszy. Płyn się cofnie i wszystko pozostanie w bezruchu. (Jeśli jest ściśliwy, istnieją inne względy, ale na razie zachowajmy prostotę.)

Wszystkie te maleńkie przekroje cieczy popychające się do siebie i do ścian pojemnika, reprezentują drobne kawałki siły, a cała ta siła skutkuje inną ważną fizyczną właściwością płynu: nacisk.

Zamiast obszarów przekroju poprzecznego rozważ płyn podzielony na małe kostki. Każda strona sześcianu jest popychana przez otaczającą ciecz (lub powierzchnię pojemnika, jeśli jest wzdłuż krawędzi) i wszystkie z nich są normalnymi naprężeniami w stosunku do tych boków. Nieściśliwy płyn w maleńkiej kostce nie może się sprężać (w końcu to znaczy „nieściśliwy”), więc nie ma zmiany ciśnienia w tych małych kostkach. Siła dociskająca jeden z tych maleńkich sześcianów będzie siłami normalnymi, które dokładnie znoszą siły z sąsiednich powierzchni sześcianu.

To anulowanie sił w różnych kierunkach jest kluczowym odkryciem w odniesieniu do ciśnienia hydrostatycznego, znanego jako prawo Pascala po genialnym francuskim fizyku i matematyku Blaise Pascal (1623-1662). Oznacza to, że ciśnienie w dowolnym punkcie jest takie samo we wszystkich kierunkach poziomych, a zatem zmiana ciśnienia między dwoma punktami będzie proporcjonalna do różnicy wysokości.

Inną kluczową koncepcją w zrozumieniu statyki płynów jest gęstość płynu. Oblicza się to w równaniu Prawa Pascala, a każdy płyn (jak również ciała stałe i gazy) mają gęstości, które można określić eksperymentalnie. Oto garść wspólne gęstości.

Gęstość to masa na jednostkę objętości. Pomyślcie teraz o różnych płynach, wszystkie podzielone na te małe kostki, o których wspomniałem wcześniej. Jeśli każdy mały sześcian ma ten sam rozmiar, różnice w gęstości oznaczają, że małe kostki o różnych gęstościach będą miały w nich różną masę. Mały sześcian o większej gęstości będzie zawierał więcej „rzeczy” niż mały sześcian o niższej gęstości. Sześcian o większej gęstości będzie cięższy niż maleńki sześcian o mniejszej gęstości, a zatem zapadnie się w porównaniu z maleńkim sześcianem o mniejszej gęstości.

Jeśli więc zmieszacie ze sobą dwa płyny (a nawet nie-płyny), gęstsze części opadną, a części mniej gęste wzrosną. Jest to również widoczne w zasadzie pławność, to wyjaśnia, w jaki sposób przemieszczenie cieczy skutkuje siłą skierowaną do góry, jeśli ją pamiętasz Archimedes. Jeśli zwrócisz uwagę na mieszanie dwóch płynów podczas ich trwania, na przykład podczas mieszania oleju i wody, będzie dużo ruchu płynu, a to pokryłoby dynamika płynów.

Ale gdy płyn osiągnie równowagę, będziesz miał płyny o różnej gęstości, które osiadły w warstwach, przy czym płyn o największej gęstości tworzy dolną warstwę, aż do osiągnięcia najniższej gęstość płyn na górnej warstwie. Przykład tego pokazano na grafice na tej stronie, gdzie różne rodzaje płynów różnicowały się w warstwy warstwowe na podstawie ich względnej gęstości.