Polje fizike statične tekočine

Statika tekočin je področje fizike, ki vključuje preučevanje tekočin v mirovanju. Ker te tekočine niso v gibanju, to pomeni, da so dosegle stabilno ravnotežno stanje, zato statika tekočine večinoma pomeni razumevanje teh ravnotežnih razmer. Ko se osredotočamo na nestisljive tekočine (kot so tekočine), v nasprotju s stisljivimi tekočinami (kot je večina plini), včasih se omenja kot hidrostatiki.

Tekočina v mirovanju ne doživi čistega stresa in doživlja le vpliv normalne sile okoliške tekočine (in sten, če je v posodi), kar je pritisk. (Več o tem spodaj.) Ta oblika ravnotežnega stanja tekočine naj bi bila a hidrostatsko stanje.

Tekočine, ki niso v hidrostatičnem stanju ali v mirovanju in so zato v nekakšnem gibanju, spadajo pod drugo polje mehanike tekočin, dinamika tekočine.

Razmislite o prerezu rezine tekočine. Kažemo, da doživljamo čist stres, če doživljamo coplanarni stres ali stres, ki kaže v smeri znotraj ravnine. Takšen čisti stres v tekočini povzroči gibanje znotraj tekočine. Navaden stres je po drugi strani pritisk na to območje preseka. Če je območje ob steni, kot je na primer stran čaše, bo površina prečnega prereza tekočine izvajala silo ob steno (pravokotno na prerez - torej

Koncept normalne sile je morda znan že na začetku študija fizike, saj se pri delu in analiziranju veliko pokaže diagrami prostega telesa. Ko nekaj še vedno stoji na tleh, se potisne proti tlom s silo, ki je enaka njegovi teži. Tla v nasprotnem primeru izvajajo normalno silo nazaj na dno predmeta. Doživi normalno silo, vendar običajna sila ne povzroči nobenega gibanja.

Odlična sila bi bila, če bi kdo potisnil predmet s strani, zaradi česar bi se predmet premikal tako dolgo, da bi premagal upornost trenja. Koplanarna sila znotraj tekočine pa ne bo podvržena trenju, ker med molekulami tekočine ni trenja. To je del tega, zaradi česar je tekočina in ne dve trdni snovi.

Ampak, pravite, ali to ne bi pomenilo, da se presek potiska nazaj v preostalo tekočino? In ali to ne bi pomenilo, da se premika?

To je odlična točka. Ta prečni prerez tekočine potisne nazaj v preostalo tekočino, ko pa to stori, preostanek tekočine potisne nazaj. Če tekočina ni stisljiva, potem ta potisk ne bo nikamor premaknil. Tekočina se bo potisnila nazaj in vse bo ostalo mirno. (Če je stisljiv, obstajajo tudi drugi razlogi, vendar naj zaenkrat ostanemo preprosti.)

Vsi ti drobni preseki tekočine, ki se potiskajo drug proti drugemu in ob stene posode, predstavljajo drobne koščke sile in vsa ta sila ima še eno pomembno fizikalno lastnost tekočine: pritisk.

Namesto prečnega prereza razmislite o tekočini, razdeljeni na drobne kocke. Vsako stran kocke potisne okoliška tekočina (ali površina posode, če je vzdolž roba) in vse to so običajne napetosti ob teh straneh. Ne stisljiva tekočina v drobni kocki se ne more stisniti (to je tisto, kar "nestisljiv" navsezadnje pomeni), tako da se znotraj teh drobnih kock ne spreminja tlak. Sila, ki pritiska na eno od teh drobnih kock, bodo normalne sile, ki natančno odpovejo sile s sosednjih površin kocke.

Ta odpoved sil v različnih smereh je ključna odkritja v zvezi s hidrostatskim tlakom, znanim kot Pascalov zakon po briljantnem francoskem fiziku in matematiku Blaise Pascal (1623-1662). To pomeni, da je tlak v kateri koli točki enak v vseh vodoravnih smereh, zato bo sprememba tlaka med dvema točkama sorazmerna z višinsko razliko.

Drugi ključni koncept pri razumevanju statike tekočine je gostota tekočine. Zajema se v Pascalovo enačbo zakona, vsaka tekočina (pa tudi trdne snovi in ​​plini) ima gostoto, ki jo je mogoče eksperimentalno določiti. Tukaj jih je nekaj skupne gostote.

Gostota je masa na enoto prostornine. Zdaj razmislite o različnih tekočinah, vse razcepljene na tiste drobne kocke, ki sem jih omenil prej. Če je vsaka drobna kocka enake velikosti, potem razlike v gostoti pomenijo, da bodo drobne kocke z različnimi gostotami v njih različne količine. Drobna kocka višje gostote bo imela v njej več "stvari" kot drobna kocka nižje gostote. Kocka z večjo gostoto bo težja od drobne kocke manjše gostote in bo zato potonila v primerjavi z drobno kocko manjše gostote.

Če torej zmešate dve tekočini (ali celo ne-tekočino) skupaj, se bodo gostejši deli potopili, da se bodo manj gosti deli dvignili. To je vidno tudi v načelu plovnost, to razloži, kako izpodrivanje tekočine povzroči naraščajočo silo, če se spomnite vaše Arhimed. Če boste pozorni na mešanje dveh tekočin, medtem ko se to dogaja, na primer, ko zmešate olje in vodo, bo prišlo do veliko gibanja tekočine in to bi zajelo dinamika tekočine.

Ko pa tekočina doseže ravnovesje, boste imeli tekočine različnih gostot, ki so se naselile v plasti, tekočina z najvišjo gostoto pa tvori spodnjo plast, dokler ne dosežete najnižje gostota tekočina na zgornjem sloju. Primer tega je prikazan na sliki na tej strani, kjer so se tekočine različnih vrst razdelile v slojevite sloje na podlagi njihove relativne gostote.