Šķidruma statika

Dorlinga Kinderslija/Getty Images

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

Šķidrums miera stāvoklī nepakļaujas milzīgam spriegumam, un tam ir tikai apkārtējā šķidruma (un sienu, ja tas atrodas traukā) parastā spēka ietekme, kas ir spiedienu . (Vairāk par to tālāk.) Tiek uzskatīts, ka šī šķidruma līdzsvara stāvokļa forma ir a hidrostatiskais stāvoklis .

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

Galvenās šķidruma statikas koncepcijas

Lielais stress salīdzinājumā ar parasto stresu

Apsveriet šķidruma šķērsgriezuma šķēli. Tiek uzskatīts, ka tas piedzīvo milzīgu stresu, ja tas piedzīvo spriegumu, kas ir vienāds, vai spriedzi, kas norāda virzienā plaknē. Šāds milzīgais spriegums šķidrumā izraisīs kustību šķidrumā. No otras puses, normāls spriegums ir grūdiens šajā šķērsgriezuma laukumā. Ja laukums atrodas pret sienu, piemēram, vārglāzes malu, tad šķidruma šķērsgriezuma laukums iedarbosies pret sienu (perpendikulāri šķērsgriezumam, tāpēc nē vienā plaknē ar to). Šķidrums iedarbojas pret sienu, un siena iedarbojas atpakaļ, tāpēc pastāv neto spēks un līdz ar to kustība nemainās.

Normāla spēka jēdziens var būt pazīstams jau fizikas studiju sākumā, jo tas daudz parādās, strādājot ar un analizējot brīvā ķermeņa diagrammas . Kad kaut kas nekustīgi sēž uz zemes, tas spiežas uz leju pret zemi ar spēku, kas vienāds ar tā svaru. Zeme savukārt iedarbojas normālu spēku atpakaļ uz objekta apakšu. Tas piedzīvo parasto spēku, bet parastais spēks neizraisa nekādu kustību.

Milzīgs spēks būtu tad, ja kāds uzgrūstu objektu no sāniem, kā rezultātā objekts pārvietotos tik ilgi, ka tas var pārvarēt berzes pretestību. Tomēr šķidrumā esošais spēks, kas atrodas vienā plaknē, netiks pakļauts berzei, jo starp šķidruma molekulām nav berzes. Tas ir daļa no tā, kas padara to par šķidrumu, nevis divām cietām vielām.

Bet, jūs sakāt, vai tas nenozīmētu, ka šķērsgriezums tiek iegrūsts atpakaļ pārējā šķidrumā? Un vai tas nenozīmētu, ka tas kustas?

Tas ir lielisks punkts. Šķidruma šķērsgriezuma šķemba tiek iespiesta atpakaļ pārējā šķidrumā, bet, kad tas tiek darīts, pārējais šķidrums tiek nospiests atpakaļ. Ja šķidrums ir nesaspiežams, tad šī stumšana neko nepārvietos. Šķidrums spiedīs atpakaļ, un viss paliks uz vietas. (Ja saspiežams, ir arī citi apsvērumi, taču pagaidām padarīsim to vienkāršu.)

Spiediens

Visi šie mazie šķidruma šķērsgriezumi, kas spiežas viens pret otru un pret tvertnes sienām, atspoguļo sīkas spēka daļiņas, un viss šis spēks rada vēl vienu svarīgu šķidruma fizisko īpašību: spiedienu.

Šķērsgriezuma laukumu vietā apsveriet šķidrumu, kas sadalīts mazos kubiņos. Katru kuba pusi uzspiež apkārtējais šķidrums (vai tvertnes virsma, ja tā ir gar malu), un tie visi ir normāli spriegumi pret šīm malām. Nesaspiežamais šķidrums mazajā kubā nevar saspiesties (to galu galā nozīmē “nesaspiežams”), tāpēc šajos mazajos kubiņos spiediens nemainās. Spēks, kas nospiež vienu no šiem mazajiem kubiem, būs normāli spēki, kas precīzi atceļ spēkus no blakus esošajām kubu virsmām.

Šī spēku atcelšana dažādos virzienos ir viens no galvenajiem atklājumiem saistībā ar hidrostatisko spiedienu, kas pazīstams kā Paskāla likums pēc izcilā franču fiziķa un matemātiķa. 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.

Blīvums

Vēl viens galvenais jēdziens šķidruma statikas izpratnē ir blīvums no šķidruma. Tas iekļaujas Paskāla likuma vienādojumā, un katram šķidrumam (kā arī cietām vielām un gāzēm) ir blīvums, ko var noteikt eksperimentāli. Šeit ir daži no kopīgie blīvumi .

Blīvums ir masa uz tilpuma vienību. Tagad padomājiet par dažādiem šķidrumiem, kas visi ir sadalīti mazos kubiņos, par kuriem es minēju iepriekš. Ja katrs mazais kubs ir vienāda izmēra, tad blīvuma atšķirības nozīmē, ka maziem kubiņiem ar dažādu blīvumu tajos būs atšķirīgs masas daudzums. Lielāka blīvuma niecīgā kubā būs vairāk 'sīkumiem' nekā mazāka blīvuma mazā kubā. Augstāka blīvuma kubs būs smagāks par mazāka blīvuma mazo kubu, un tāpēc tas nogrims salīdzinājumā ar mazāka blīvuma mazo kubu.

Tātad, ja sajaucat divus šķidrumus (vai pat nešķidrumus), blīvākās daļas nogrims, bet mazāk blīvās daļas pacelsies. Tas ir redzams arī principā peldspēja , kas izskaidro, kā šķidruma pārvietošana rada augšupejošu spēku, ja atceraties savu Arhimēds . Ja pievēršat uzmanību divu šķidrumu sajaukšanai, piemēram, sajaucot eļļu un ūdeni, notiks liela šķidruma kustība, un to varētu segt šķidruma dinamika .

Bet, tiklīdz šķidrums sasniegs līdzsvaru, jums būs dažāda blīvuma šķidrumi, kas ir nogulsnējušies slāņos, ar augstāko blīvuma šķidrumu veidojot apakšējo slāni, līdz jūs sasniegsit zemāko blīvumu. blīvums šķidrums uz augšējā slāņa. Piemērs tam ir parādīts šīs lapas grafikā, kur dažāda veida šķidrumi ir diferencējušies stratificētos slāņos, pamatojoties uz to relatīvo blīvumu.