Statika tekočine

Dorling Kindersley/Getty Images

Statika tekočin je področje fizike, ki vključuje preučevanje tekočin v mirovanju. Ker se te tekočine ne gibljejo, to pomeni, da so dosegle stabilno ravnotežno stanje, zato statika tekočine v veliki meri pomeni razumevanje teh pogojev ravnovesja tekočin. Pri osredotočanju na nestisljive tekočine (kot so tekočine) v nasprotju s stisljivimi tekočinami (kot je večina plini ), včasih se imenuje hidrostatika .

Tekočina v mirovanju ni podvržena nobeni čisti obremenitvi in ​​je podvržena samo vplivu normalne sile okoliške tekočine (in sten, če je v posodi), kar je pritisk . (Več o tem spodaj.) Ta oblika ravnotežnega stanja tekočine se imenuje a hidrostatsko stanje .

Tekočine, ki niso v hidrostatičnem stanju ali v mirovanju in so torej v nekakšnem gibanju, spadajo v drugo področje mehanike tekočin, dinamika tekočin .

Glavni koncepti statike tekočin

Čisti stres proti običajnemu stresu

Razmislite o prečnem prerezu tekočine. Rečeno je, da doživlja čisto obremenitev, če doživlja obremenitev, ki je koplanarna, ali obremenitev, ki kaže v smeri znotraj ravnine. Takšna čista napetost v tekočini bo povzročila gibanje znotraj tekočine. Po drugi strani pa je normalna napetost potisna v to območje prečnega prereza. Če je območje ob steni, kot je stranica čaše, bo površina preseka tekočine delovala s silo proti steni (pravokotno na prerez - torej, ne komplanarno z njim). Tekočina deluje s silo na steno, stena pa s silo nazaj, tako da obstaja neto sila in zato ni sprememb v gibanju.

Koncept normalne sile je morda znan že od začetka študija fizike, ker se veliko pokaže pri delu in analizi diagrami prostega telesa . Ko nekaj miruje na tleh, potisne navzdol proti tlom s silo, ki je enaka njegovi teži. Tla pa izvajajo normalno silo nazaj na dno predmeta. Izkusi normalno silo, vendar normalna sila ne povzroči nobenega gibanja.

Čista sila bi bila, če bi nekdo sunil predmet od strani, zaradi česar bi se predmet premikal tako dolgo, da bi lahko premagal upor trenja. Koplanarna sila v tekočini pa ne bo izpostavljena trenju, ker med molekulami tekočine ni trenja. To je del tega, zaradi česar je tekočina in ne dve trdni snovi.

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

To je odlična točka. Ta prečni prerez tekočine se potisne nazaj v preostalo tekočino, ko pa se to zgodi, se preostala tekočina potisne nazaj. Če je tekočina nestisljiva, potem to potiskanje ne bo ničesar premaknilo. Tekočina se bo potisnila nazaj in vse bo ostalo mirno. (Če je stisljiv, obstajajo še drugi premisleki, a za zdaj naj bo preprosto.)

Pritisk

Vsi ti drobni preseki tekočine, ki potiskajo drug proti drugemu in proti stenam posode, predstavljajo drobne koščke sile in vsa ta sila povzroči še eno pomembno fizikalno lastnost tekočine: tlak.

Namesto površin preseka upoštevajte tekočino, razdeljeno na drobne kocke. Vsako stran kocke potiska okoliška tekočina (ali površina posode, če je vzdolž roba) in vse to so normalne napetosti na teh straneh. Nestisljiva tekočina v majhni kocki se ne more stisniti (to navsezadnje pomeni 'nestisljivo'), zato v teh majhnih kockah ni spremembe tlaka. Sila, ki pritiska na eno od teh drobnih kock, bo normalna sila, ki natančno izniči sile s sosednjih površin kocke.

Ta razveljavitev sil v različnih smereh je eno ključnih odkritij v zvezi s hidrostatičnim tlakom, znano 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.

Gostota

Drugi ključni koncept pri razumevanju statike tekočin je gostota tekočine. Pojavlja se v enačbi Pascalovega zakona in vsaka tekočina (pa tudi trdne snovi in ​​plini) ima gostoto, ki jo je mogoče določiti eksperimentalno. Tukaj je peščica skupne gostote .

Gostota je masa na enoto prostornine. Zdaj pomislite na različne tekočine, vse razdeljene na tiste majhne kocke, ki sem jih omenil prej. Če je vsaka majhna kocka enake velikosti, potem razlike v gostoti pomenijo, da bodo imele majhne kocke z različnimi gostotami različno količino mase. Majhna kocka z večjo gostoto bo vsebovala več 'stvari' kot majhna kocka z manjšo gostoto. Kocka z večjo gostoto bo težja od majhne kocke z nižjo gostoto in se bo zato potopila v primerjavi z majhno kocko z manjšo gostoto.

Torej, če zmešate dve tekočini (ali celo netekočini) skupaj, bodo gostejši deli potonili, manj gosti deli pa se bodo dvignili. To je razvidno tudi iz načela plovnost , ki pojasnjuje, kako premik tekočine povzroči silo navzgor, če se spomnite svojega Arhimed . Če ste pozorni na mešanje dveh tekočin, medtem ko se to dogaja, na primer pri mešanju olja in vode, bo prišlo do velikega gibanja tekočine, kar bi pokrilo dinamika tekočin .

Ko pa tekočina doseže ravnovesje, boste imeli tekočine različnih gostot, ki so se usedle v plasti, pri čemer tekočina z največjo gostoto tvori spodnjo plast, dokler ne dosežete najnižje gostota tekočina na zgornji plasti. Primer tega je prikazan na grafiki na tej strani, kjer so se tekočine različnih vrst ločile v stratificirane plasti na podlagi njihove relativne gostote.