Fizinis skysčių statikos laukas

Skysčių statika yra fizikos sritis, apimanti skysčių tyrimą ramybės būsenoje. Kadangi šie skysčiai nejuda, tai reiškia, kad jie pasiekė stabilią pusiausvyros būseną, todėl skysčių statistika daugiausia reiškia šių skysčių pusiausvyros sąlygų supratimą. Kai dėmesys sutelkiamas į nesuspaudžiamus skysčius (tokius kaip skysčiai), o ne į suspaudžiamus skysčius (tokius kaip dauguma) dujos), jis kartais vadinamas hidrostatika.

Poilsio metu naudojamas skystis nepatiria jokio streso, o patiria tik normalios aplinkinio skysčio (ir sienelių, jei jos yra inde) jėgą, kuri yra slėgis. (Plačiau apie tai žemiau.) Sakoma, kad tokia skysčio pusiausvyros būsenos forma yra a hidrostatinė būklė.

Skysčiai, kurie nėra hidrostatinės ar ramybės būsenoje, todėl juda kažkokiu būdu, patenka į kitą skysčių mechanikos sritį. skysčio dinamika.

Apsvarstykite skysčio skerspjūvį. Teigiama, kad patiria didžiulį stresą, jei patiria stresą, kuris yra koplanarinis, arba stresą, kuris nukreiptas į plokštumos pusę. Toks grynas skysčio stresas sukels judėjimą skysčio viduje. Normalus stresas, atvirkščiai, yra stūmimas į tą skerspjūvio plotą. Jei plotas yra prie sienos, pavyzdžiui, stiklinės stiklinės pusės, tada skysčio skerspjūvio plotas paveiks sieną (statmeną skerspjūviui), todėl

Normalios jėgos sąvoka gali būti pažįstama nuo pat fizikos studijų pradžios, nes ji daug parodo dirbant ir analizuojant laisvojo kūno diagramos. Kai kažkas nesėdi ant žemės, jis stumiasi žemėn su jėga, lygia jo svoriui. Žemė savo ruožtu daro normalią jėgą atgal į daikto dugną. Jis patiria normalią jėgą, tačiau normali jėga jokio judesio nesukelia.

Didelė jėga būtų, jei kas nors pasislėptų ant daikto iš šono, dėl kurio daiktas judėtų taip ilgai, kad galėtų įveikti atsparumą trinčiai. Nors jėgos plokštumoje, esančioje skystyje, nebus trinties, nes tarp skysčio molekulių nėra trinties. Tai yra dalis to, kas daro jį skysčiu, o ne dviem kietomis medžiagomis.

Bet, kaip jūs sakote, ar tai nereiškia, kad skerspjūvis yra įmestas atgal į likusį skysčio kiekį? Ir ar tai nereiškia, kad jis juda?

Tai puikus punktas. Tas skysčio skerspjūvio pjūvis yra stumiamas atgal į likusį skysčio kiekį, tačiau kai jis tai daro, likęs skystis stumia atgal. Jei skystis yra nesuspaudžiamas, tada šis stūmimas nieko niekur nejudins. Skystis imsis stumti atgal ir viskas liks. (Jei galima suspausti, yra ir kitų aplinkybių, tačiau dabar laikykimės paprastumo.)

Visi šie maži skysčio skerspjūviai stumia vienas prie kito ir prie talpyklos sienelių, žymi mažus jėgos bitus, ir visa ši jėga lemia kitą svarbią skysčio fizinę savybę: slėgis.

Vietoj skerspjūvio sričių apsvarstykite, ar skystis gali būti padalintas į mažus kubelius. Kiekviena kubo pusė yra užstumiama aplinkinio skysčio (arba talpyklos paviršiaus, jei išilgai krašto), ir visa tai yra normalūs įtempiai prieš tas puses. Nesuspaudžiamas skystis mažame kubelyje negali suspausti (galų gale tai reiškia „nesuspaudžiamas“), todėl šiuose mažyčiuose kubeliuose slėgis nekinta. Vieną iš šių mažų gabaliukų spaudžianti jėga bus normalios jėgos, tiksliai pašalinančios jėgas iš gretimų kubo paviršių.

Šis jėgų atšaukimas įvairiomis kryptimis yra pagrindinis atradimas, susijęs su hidrostatiniu slėgiu, žinomu kaip Pascalio įstatymas po genialaus prancūzų fiziko ir matematiko Blaise'as Pascalis (1623-1662). Tai reiškia, kad slėgis bet kuriame taške visomis horizontaliomis kryptimis yra vienodas, todėl slėgio pokytis tarp dviejų taškų bus proporcingas aukščio skirtumui.

Kita pagrindinė sąvoka norint suprasti skystą statiką yra tankis skysčio. Jis įtrauktas į Paskalio dėsnio lygtį, o kiekvieno skysčio (taip pat kietų medžiagų ir dujų) tankis gali būti nustatytas eksperimentiškai. Čia yra keletas dažni tankiai.

Tankis yra masė tūrio vienete. Dabar galvok apie įvairius skysčius, visus suskaidydamas į tuos mažus kubelius, kuriuos minėjau anksčiau. Jei kiekvienas mažas kubas yra tokio paties dydžio, tada tankio skirtumai reiškia, kad mažo dydžio ir skirtingo tankio kubeliai turės skirtingą masę. Didesnio tankio mažas kubas turės daugiau „daiktų“ nei mažesnio tankio mažas kubas. Didesnio tankio kubas bus sunkesnis nei mažesnio tankio mažas kubas, todėl jis nusės, palyginti su mažesnio tankio mažu kubu.

Taigi jei sumaišysite du skysčius (ar net ne skysčius) kartu, tankesnės dalys nusės, kad mažiau tankios dalys pakils. Tai akivaizdu ir principe plūdrumas, paaiškinanti, kaip skysčio pasislinkimas sukelia jėgas į viršų, jei atsimenate savo Archimedas. Jei atkreipsite dėmesį į dviejų skysčių maišymąsi, kai tai vyksta, pavyzdžiui, kai sumaišote aliejų ir vandenį, skysčiai judės daug, ir tai skysčio dinamika.

Kai tik skystis pasieks pusiausvyrą, turėsite skirtingo tankio skysčių, nusistovėjusių sluoksniuose, o didžiausio tankio skystis sudarys apatinį sluoksnį, kol pasieksite žemiausią tankis skysčio ant viršutinio sluoksnio. To pavyzdys parodytas šio puslapio paveikslėlyje, kur skirtingų tipų skysčiai diferencijavosi į stratifikuotus sluoksnius pagal jų santykinį tankį.