Ο τομέας της φυσικής της στατικής ροής

Το στατικό υγρό είναι το πεδίο της φυσικής που περιλαμβάνει τη μελέτη υγρών σε κατάσταση ηρεμίας. Επειδή αυτά τα υγρά δεν είναι σε κίνηση, αυτό σημαίνει ότι έχουν επιτύχει μια σταθερή κατάσταση ισορροπίας, έτσι ρευστά στατικά είναι σε μεγάλο βαθμό για την κατανόηση αυτών των υγρών συνθηκών ισορροπίας. Όταν εστιάζουμε στα ασυμπίεστα ρευστά (όπως τα υγρά) σε αντίθεση με τα συμπιέσιμα ρευστά (όπως τα περισσότερα αερίων), αναφέρεται μερικές φορές ως υδροστατική.

Ένα ρευστό σε κατάσταση ηρεμίας δεν υφίσταται καμία τάση πληρότητας και δοκιμάζει μόνο την επίδραση της κανονικής δύναμης του περιβάλλοντος υγρού (και των τοιχωμάτων, εάν περιέχεται σε ένα δοχείο), το οποίο είναι πίεση. (Περισσότερα για αυτό το παρακάτω.) Αυτή η μορφή της κατάστασης ισορροπίας ενός υγρού λέγεται ότι είναι α υδροστατική κατάσταση.

Τα υγρά που δεν βρίσκονται σε υδροστατική κατάσταση ή σε κατάσταση ηρεμίας και επομένως είναι σε κάποια κίνηση, εμπίπτουν στο άλλο πεδίο της μηχανικής ρευστών, υγρή δυναμική.

Εξετάστε μια εγκάρσια τομή ενός ρευστού. Λέγεται ότι αντιμετωπίζει ένα τεράστιο άγχος αν βιώνει ένα stress το οποίο είναι συνεπίπεδο ή ένα άγχος που δείχνει σε μια κατεύθυνση μέσα στο αεροπλάνο. Μια τέτοια τάση, σε ένα υγρό, θα προκαλέσει κίνηση μέσα στο υγρό. Κανονική πίεση, από την άλλη πλευρά, είναι μια ώθηση σε εκείνη την περιοχή διατομής. Εάν η περιοχή είναι έναντι ενός τοίχου, όπως είναι η πλευρά ενός ποτηριού, τότε η περιοχή διατομής του υγρού θα εξασκήσει δύναμη στον τοίχο (κάθετα στην εγκάρσια τομή - επομένως, δεν συνεπίπεδη σε αυτό). Το υγρό ασκεί μια δύναμη στον τοίχο και ο τοίχος ασκεί μια δύναμη προς τα πίσω, έτσι υπάρχει καθαρή δύναμη και συνεπώς καμία αλλαγή στην κίνηση.

Η έννοια της κανονικής δύναμης μπορεί να είναι γνωστή από νωρίς στη μελέτη της φυσικής, επειδή εμφανίζεται πολύ στην εργασία και την ανάλυση διαγράμματα ελεύθερου σώματος. Όταν κάτι κάθεται στο έδαφος, ωθεί προς τα κάτω στο έδαφος με δύναμη ίση με το βάρος του. Το έδαφος, με τη σειρά του, ασκεί μια κανονική δύναμη πίσω στο κάτω μέρος του αντικειμένου. Βιώνει την κανονική δύναμη, αλλά η κανονική δύναμη δεν οδηγεί σε καμία κίνηση.

Μια τεράστια δύναμη θα ήταν αν κάποιος έσπρωξε το αντικείμενο από το πλάι, πράγμα που θα έκανε το αντικείμενο να κινηθεί τόσο μακριά ώστε να μπορεί να ξεπεράσει την αντίσταση της τριβής. Μια δύναμη ομοεπίπεδη μέσα σε ένα υγρό, όμως, δεν πρόκειται να υποβληθεί σε τριβή, επειδή δεν υπάρχει τριβή μεταξύ των μορίων ενός υγρού. Αυτό είναι μέρος αυτού που το καθιστά υγρό και όχι δύο στερεά.

Αλλά, λέτε, δεν θα σήμαινε ότι η διατομή θα πεταχτεί πίσω στο υπόλοιπο ρευστό; Και αυτό δεν σημαίνει ότι κινείται;

Αυτό είναι ένα εξαιρετικό σημείο. Αυτή η εγκάρσια τομή του ρευστού ωθείται προς τα πίσω στο υπόλοιπο υγρό, αλλά όταν το κάνει, το υπόλοιπο υγρό σπρώχνει πίσω. Εάν το υγρό είναι ασυμπίεστο, τότε αυτή η ώθηση δεν πρόκειται να μετακινήσει τίποτα οπουδήποτε. Το υγρό πρόκειται να ωθήσει πίσω και όλα θα παραμείνουν ακίνητα. (Εάν είναι συμπιεσμένο, υπάρχουν και άλλες σκέψεις, αλλά ας το κρατήσουμε απλό για τώρα.)

Όλες αυτές οι μικροσκοπικές εγκάρσιες τομές υγρού που πιέζουν το ένα το άλλο και εναντίον των τοιχωμάτων του δοχείου, αντιπροσωπεύουν μικροσκοπικά κομμάτια δύναμης και όλη αυτή η δύναμη έχει ως αποτέλεσμα μια άλλη σημαντική φυσική ιδιότητα του ρευστού: το πίεση.

Αντί των περιοχών διατομής, θεωρήστε το υγρό χωρισμένο σε μικρούς κύβους. Κάθε πλευρά του κύβου ωθείται από το περιβάλλον υγρό (ή από την επιφάνεια του δοχείου, αν είναι κατά μήκος της άκρης) και όλα αυτά είναι κανονικές καταπονήσεις από αυτές τις πλευρές. Το ασυμπίεστο υγρό μέσα στο μικροσκοπικό κύβο δεν μπορεί να συμπιέσει (αυτό είναι το "μη συμπιεστό" τελικά), έτσι δεν υπάρχει αλλαγή πίεσης μέσα σε αυτούς τους μικροσκοπικούς κύβους. Η δύναμη που πιέζει έναν από αυτούς τους μικροσκοπικούς κύβους θα είναι κανονικές δυνάμεις που ακυρώνουν ακριβώς τις δυνάμεις από τις γειτονικές επιφάνειες κύβου.

Αυτή η ακύρωση δυνάμεων προς διάφορες κατευθύνσεις είναι από τις βασικές ανακαλύψεις σε σχέση με την υδροστατική πίεση, γνωστή ως νόμος Pascal μετά τον λαμπρό γάλλο φυσικό και μαθηματικό Blaise Pascal (1623-1662). Αυτό σημαίνει ότι η πίεση σε οποιοδήποτε σημείο είναι η ίδια σε όλες τις οριζόντιες κατευθύνσεις και επομένως η μεταβολή της πίεσης μεταξύ δύο σημείων θα είναι ανάλογη της διαφοράς ύψους.

Μια άλλη βασική ιδέα για την κατανόηση των στατικών υγρών είναι η πυκνότητα του υγρού. Περιλαμβάνεται στην εξίσωση του νόμου Pascal και κάθε ρευστό (καθώς και στερεά και αέρια) έχει πυκνότητες που μπορούν να προσδιοριστούν πειραματικά. Εδώ είναι μια χούφτα κοινές πυκνότητες.

Η πυκνότητα είναι η μάζα ανά μονάδα όγκου. Τώρα σκεφτείτε διάφορα υγρά, όλα χωρίζονται σε εκείνους τους μικροσκοπικούς κύβους που ανέφερα νωρίτερα. Αν κάθε μικρός κύβος έχει το ίδιο μέγεθος, τότε οι διαφορές στην πυκνότητα σημαίνουν ότι μικροσκοπικά κύβοι με διαφορετικές πυκνότητες θα έχουν διαφορετική ποσότητα μάζας σε αυτά. Ένας μικρός κύβος υψηλότερης πυκνότητας θα έχει περισσότερα "πράγματα" σε αυτόν από έναν μικρό κύβο μικρότερης πυκνότητας. Ο κύβος υψηλότερης πυκνότητας θα είναι βαρύτερος από τον μικροσκοπικό κύβο μικρότερης πυκνότητας και επομένως θα βυθιστεί σε σύγκριση με τον μικρό κύβο μικρότερης πυκνότητας.

Έτσι, εάν αναμίξετε δύο υγρά (ή ακόμα και μη υγρά), τα πυκνότερα μέρη θα βυθιστούν ώστε τα λιγότερο πυκνά μέρη να αυξηθούν. Αυτό είναι επίσης εμφανές στην αρχή της πλευστότητα, που εξηγεί πώς η μετατόπιση του υγρού έχει ως αποτέλεσμα μια ανοδική δύναμη, αν θυμάστε το δικό σας Αρχιμήδης. Αν δίνετε προσοχή στην ανάμιξη δύο υγρών ενώ συμβαίνει, όπως όταν αναμιγνύετε πετρέλαιο και νερό, θα υπάρξει μεγάλη κίνηση υγρών, και αυτό θα καλύπτεται από υγρή δυναμική.

Αλλά μόλις το ρευστό φθάσει σε ισορροπία, θα έχετε υγρά διαφορετικής πυκνότητας που έχουν εγκατασταθεί σε στρώματα, με το υγρό υψηλότερης πυκνότητας να σχηματίζει το κάτω στρώμα, μέχρι να φτάσετε στο χαμηλότερο πυκνότητα ρευστό στο πάνω στρώμα. Ένα παράδειγμα αυτού παρουσιάζεται στο γραφικό σε αυτή τη σελίδα, όπου τα υγρά διαφορετικού τύπου έχουν διαφοροποιηθεί σε στρωματοποιημένα στρώματα με βάση τη σχετική πυκνότητα τους.