Полето на физиката на статичната течност

Флуидната статика е областта на физиката, която включва изследване на течности в покой. Тъй като тези флуиди не са в движение, това означава, че са постигнали стабилно равновесно състояние, така че статиката на флуида до голяма степен се отнася до разбирането на тези условия на равновесие на течностите. Когато се фокусирате върху некомпресивни течности (като течности), за разлика от компресивните течности (като повечето газове), понякога се споменава като хидростатика.

Течността в покой не изпитва никакво напрежение и изпитва само влиянието на нормалната сила на заобикалящата течност (и стените, ако е в контейнер), което е налягане. (Повече за това по-долу.) Казва се, че тази форма на равновесно състояние на течност е a хидростатично състояние.

Течностите, които не са в хидростатично състояние или в покой, и следователно са в някакъв вид движение, попадат в другото поле на механиката на течностите, т.е. динамика на течността.

Помислете за напречен разрез на течност. Казва се, че изпитва чист стрес, ако изпитва стрес, който е копланарен, или стрес, който сочи в посока в равнината. Такъв силен стрес в течността ще предизвика движение в течността. Нормалното напрежение, от друга страна, е тласък в тази област на напречното сечение. Ако зоната е срещу стена, като страната на стъкленица, тогава площта на напречното сечение на течността ще упражнява сила срещу стената (перпендикулярна на напречното сечение - следователно, не копланарен към него). Течността упражнява сила към стената, а стената упражнява сила назад, така че има сила на нета и следователно няма промяна в движението.

Концепцията за нормална сила може да е позната още в началото на изучаването на физика, защото тя показва много в работата и анализа диаграми за свободно тяло. Когато нещо седи неподвижно на земята, то се изтласква надолу към земята със сила, равна на теглото му. Земята от своя страна упражнява нормална сила обратно на дъното на обекта. Тя изпитва нормалната сила, но нормалната сила не води до движение.

Силна сила би била, ако някой блъсне обекта отстрани, което ще накара обекта да се движи толкова дълго, че да може да преодолее съпротивлението на триенето. Сила, копланарна в течността, обаче, няма да бъде подложена на триене, защото няма триене между молекули на течност. Това е част от това, което го прави течност, а не две твърди частици.

Но, казвате, не би ли означавало, че напречното сечение се връща обратно в останалата течност? И това не би ли означавало, че се движи?

Това е отличен момент. Това напречно сечение на течността се изтласква обратно в останалата част от течността, но когато това стане, останалата част от течността се изтласква назад. Ако течността е некомпресивна, това натискане няма да премести нищо никъде. Течността ще се изтласка назад и всичко ще остане неподвижно. (Ако е сгъваемо, има и други съображения, но нека да го опростим засега.)

Всички тези малки напречни сечения на течност се натискат един към друг и към стените на контейнера, представляват малки късчета сила и цялата тази сила води до друго важно физическо свойство на флуида: налягане.

Вместо области с напречно сечение, помислете за течността, разделена на малки кубчета. Всяка страна на куба се натиска от заобикалящата течност (или повърхността на контейнера, ако е по ръба) и всички те са нормални напрежения срещу тези страни. Несжимаемата течност в малкия куб не може да се компресира (това в крайна сметка означава "некомпресивен"), така че няма промяна в налягането в тези малки кубчета. Силата, натискаща върху един от тези малки кубчета, ще бъде нормална сила, която прецизно отменя силите от съседните повърхности на куба.

Това отменяне на силите в различни посоки е от ключовите открития във връзка с хидростатичното налягане, известно като Закон на Паскал след гениалния френски физик и математик Блез Паскал (1623-1662). Това означава, че налягането във всяка точка е едно и също във всички хоризонтални посоки и следователно промяната в налягането между две точки ще бъде пропорционална на разликата във височината.

Друго ключово понятие в разбирането на статиката на флуида е плътност от течността. То фигурира в уравнението на Закона на Паскал и всяка течност (както и твърди вещества и газове) има плътност, която може да бъде определена експериментално. Ето шепа обща плътност.

Плътността е масата на единица обем. Сега помислете за различни течности, всички разделени на онези мънички кубчета, за които споменах по-рано. Ако всяко мъничко кубче е с еднакъв размер, тогава разликите в плътността означават, че мъничките кубчета с различна плътност ще имат различно количество маса в тях. Малкото кубче с по-голяма плътност ще има повече „неща“ в него, отколкото кубче с по-ниска плътност. Кубът с по-висока плътност ще бъде по-тежък от малкия куб с по-малка плътност и следователно ще потъне в сравнение с кубчето с по-малка плътност.

Така че, ако смесите два течности (или дори нетечности) заедно, по-плътните части ще потънат, че по-малко плътните части ще се издигнат. Това е видно и в принципа на плавателност, това обяснява как изместването на течността води до възходяща сила, ако си спомняте вашата Архимед. Ако обърнете внимание на смесването на два флуида, докато се случва, например когато смесвате масло и вода, ще има много движение на течности и това ще се покрие от динамика на течността.

Но след като течността достигне равновесие, ще имате течности с различна плътност, които са се утаили в слоеве, като течността с най-голяма плътност образува долния слой, докато достигнете най-ниската плътност течност върху горния слой. Пример за това е показан на графиката на тази страница, където флуиди от различни видове са се обособили в стратифицирани слоеве въз основа на относителната им плътност.