Fluid Statics

Die Flüssigkeitsstatik ist das Gebiet der Physik, in dem ruhende Flüssigkeiten untersucht werden. Da diese Flüssigkeiten nicht in Bewegung sind, dh einen stabilen Gleichgewichtszustand erreicht haben, geht es bei der Flüssigkeitsstatik hauptsächlich darum, diese Flüssigkeitsgleichgewichtsbedingungen zu verstehen. Bei der Fokussierung auf inkompressible Flüssigkeiten (wie Flüssigkeiten) im Gegensatz zu kompressiblen Flüssigkeiten (wie die meisten Gase) wird dies manchmal als bezeichnet Hydrostatik.

Eine in Ruhe befindliche Flüssigkeit unterliegt keiner reinen Beanspruchung und erfährt nur den Einfluss der Normalkraft der umgebenden Flüssigkeit (und der Wände, wenn sie sich in einem Behälter befindet), die der Druck ist. (Mehr dazu weiter unten.) Diese Form des Gleichgewichtszustands einer Flüssigkeit wird als a bezeichnet hydrostatischer Zustand.

Flüssigkeiten, die sich nicht in einem hydrostatischen Zustand oder in Ruhe befinden und sich daher in irgendeiner Art von Bewegung befinden, fallen unter das andere Gebiet der Strömungsmechanik, die Strömungsmechanik.

Hauptkonzepte der Fluidstatik

Bloßer Stress vs. Normaler Stress

Betrachten Sie eine Querschnittsscheibe einer Flüssigkeit. Es wird gesagt, dass es eine reine Spannung gibt, wenn es eine Spannung gibt, die koplanar ist, oder eine Spannung, die in eine Richtung innerhalb der Ebene zeigt. Solch eine bloße Belastung in einer Flüssigkeit wird Bewegung in der Flüssigkeit verursachen. Normalspannung ist dagegen ein Druck in diese Querschnittsfläche. Wenn der Bereich an einer Wand anliegt, z. B. an der Seite eines Bechers, übt der Flüssigkeitsquerschnitt eine Kraft gegen die Wand aus (senkrecht zum Querschnitt - daher, nicht koplanar dazu). Die Flüssigkeit übt eine Kraft gegen die Wand aus, und die Wand übt eine Kraft zurück aus, so dass eine Nettokraft und daher keine Bewegungsänderung vorliegt.

Das Konzept einer normalen Kraft ist vielleicht schon zu Beginn des Studiums der Physik bekannt, da es sich in der Arbeit mit und Analyse von Freikörperdiagrammen als sehr nützlich erweist. Wenn etwas still auf dem Boden sitzt, drückt es mit einer Kraft, die seinem Gewicht entspricht, auf den Boden. Der Boden übt wiederum eine normale Kraft auf den Boden des Objekts aus. Es erfährt die normale Kraft, aber die normale Kraft führt zu keiner Bewegung.

Eine bloße Kraft wäre, wenn jemand von der Seite auf das Objekt drückt, was dazu führen würde, dass sich das Objekt so lange bewegt, dass es den Reibungswiderstand überwinden kann. Eine koplanare Kraft in einer Flüssigkeit unterliegt jedoch keiner Reibung, da es keine Reibung zwischen den Molekülen einer Flüssigkeit gibt. Das ist ein Teil dessen, was es eher zu einer Flüssigkeit als zu zwei Festkörpern macht.

Aber, sagen Sie, würde das nicht bedeuten, dass der Querschnitt in den Rest der Flüssigkeit zurückgeschoben wird? Und würde das nicht bedeuten, dass es sich bewegt??

Dies ist ein ausgezeichneter Punkt. Dieses Querschnittssplitter der Flüssigkeit wird in den Rest der Flüssigkeit zurückgeschoben, aber wenn dies der Fall ist, wird der Rest der Flüssigkeit zurückgeschoben. Wenn die Flüssigkeit inkompressibel ist, bewegt dieses Drücken nichts. Die Flüssigkeit drückt zurück und alles bleibt stehen. (Wenn komprimierbar, gibt es noch andere Überlegungen, aber lassen Sie es uns vorerst einfach halten.)

Druck

Alle diese winzigen Flüssigkeitsquerschnitte, die gegeneinander und gegen die Wände des Behälters drücken, stellen winzige Kraftstücke dar, und all diese Kräfte führen zu einer weiteren wichtigen physikalischen Eigenschaft der Flüssigkeit: dem Druck.

Betrachten Sie anstelle von Querschnittsflächen die Flüssigkeit, die in kleine Würfel aufgeteilt ist. Jede Seite des Würfels wird von der umgebenden Flüssigkeit (oder der Oberfläche des Behälters, wenn sie sich am Rand befindet) aufgeschoben, und all dies sind normale Spannungen gegen diese Seiten. Die inkompressible Flüssigkeit in dem winzigen Würfel kann sich nicht komprimieren (was "inkompressibel" bedeutet), so dass sich der Druck in diesen winzigen Würfeln nicht ändert. Die Kraft, die auf einen dieser kleinen Würfel drückt, ist eine Normalkraft, die die Kräfte von den benachbarten Würfeloberflächen genau aufhebt.

Diese Aufhebung von Kräften in verschiedene Richtungen ist eine der wichtigsten Entdeckungen in Bezug auf den hydrostatischen Druck, die nach dem brillanten französischen Physiker und Mathematiker Blaise Pascal (1623-1662) als Pascalsches Gesetz bekannt ist. Dies bedeutet, dass der Druck an jedem Punkt in allen horizontalen Richtungen gleich ist und daher die Druckänderung zwischen zwei Punkten proportional zur Höhendifferenz ist.

Dichte

Ein weiteres Schlüsselkonzept für das Verständnis der Fluidstatik ist die Dichte des Fluids. Es geht in die Pascalsche Gesetzgleichung ein, und jedes Fluid (sowie Feststoffe und Gase) hat Dichten, die experimentell bestimmt werden können. Hier sind eine Handvoll gemeinsamer Dichten.

Die Dichte ist die Masse pro Volumeneinheit. Denken Sie nun an verschiedene Flüssigkeiten, die alle in die bereits erwähnten kleinen Würfel aufgeteilt sind. Wenn jeder kleine Würfel die gleiche Größe hat, bedeuten Dichteunterschiede, dass kleine Würfel mit unterschiedlicher Dichte eine unterschiedliche Masse haben. Ein kleiner Würfel mit höherer Dichte enthält mehr "Material" als ein kleiner Würfel mit niedrigerer Dichte. Der Würfel mit der höheren Dichte ist schwerer als der kleine Würfel mit der niedrigeren Dichte und sinkt daher im Vergleich zum kleinen Würfel mit der niedrigeren Dichte.

Wenn Sie also zwei Flüssigkeiten (oder sogar Nichtflüssigkeiten) miteinander mischen, sinken die dichteren Teile, und die weniger dichten Teile steigen auf. Dies zeigt sich auch im Prinzip des Auftriebs, das erklärt, wie die Verschiebung von Flüssigkeit zu einer Aufwärtskraft führt, wenn Sie sich an Ihren Archimedes erinnern. Wenn Sie beim Mischen von Öl und Wasser auf das Mischen von zwei Flüssigkeiten achten, kommt es zu starken Flüssigkeitsbewegungen, die von der Flüssigkeitsdynamik abgedeckt werden.

Sobald die Flüssigkeit das Gleichgewicht erreicht hat, haben Sie Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte, die sich in Schichten abgesetzt haben, wobei die Flüssigkeit mit der höchsten Dichte die unterste Schicht bildet, bis Sie die Flüssigkeit mit der niedrigsten Dichte auf der obersten Schicht erreichen. Ein Beispiel dafür zeigt die Grafik auf dieser Seite, in der sich Flüssigkeiten verschiedener Typen aufgrund ihrer relativen Dichte in geschichtete Schichten differenziert haben.