Das Physikfeld der Fluidstatik

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

Eine Flüssigkeit in Ruhe unterliegt keiner bloßen Belastung und erfährt nur den Einfluss der Normalkraft der umgebenden Flüssigkeit (und der Wände, wenn sie sich in einem Behälter befindet) Druck. (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 Bewegung befinden, fallen unter das andere Gebiet der Strömungsmechanik. Flüssigkeitsdynamik.

Betrachten Sie eine Querschnittsscheibe einer Flüssigkeit. Es wird gesagt, dass es eine reine Belastung erfährt, wenn es eine koplanare Belastung oder eine Belastung erfährt, die in eine Richtung innerhalb der Ebene zeigt. Solch ein bloßer Stress in einer Flüssigkeit verursacht eine Bewegung innerhalb der Flüssigkeit. Normale Beanspruchung ist andererseits ein Druck in diese Querschnittsfläche. Wenn der Bereich an einer Wand anliegt, z. B. an der Seite eines Bechers, übt die Querschnittsfläche der Flüssigkeit eine Kraft auf 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 somit keine Änderung der Bewegung vorliegt.

Das Konzept einer Normalkraft ist vielleicht schon zu Beginn des Physikstudiums bekannt, da es sich beim Arbeiten und Analysieren häufig zeigt Freikörperdiagramme. Wenn etwas still auf dem Boden sitzt, drückt es mit einer Kraft, die seinem Gewicht entspricht, auf den Boden. Der Boden übt wiederum eine Normalkraft auf den Boden des Objekts aus. Es erfährt die Normalkraft, aber die Normalkraft führt zu keiner Bewegung.

Eine bloße Kraft wäre, wenn jemand von der Seite auf das Objekt schiebt, was dazu führen würde, dass sich das Objekt so lange bewegt, dass es den Reibungswiderstand überwinden kann. Eine Kraft, die in einer Flüssigkeit koplanar ist, unterliegt jedoch keiner Reibung, da zwischen den Molekülen einer Flüssigkeit keine Reibung besteht. Das ist ein Teil dessen, was es zu einer Flüssigkeit macht und nicht zu zwei Feststoffen.

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

Dies ist ein ausgezeichneter Punkt. Dieses Querschnittsstück der Flüssigkeit wird in den Rest der Flüssigkeit zurückgedrückt, aber wenn dies der Fall ist, wird der Rest der Flüssigkeit zurückgedrückt. Wenn die Flüssigkeit inkompressibel ist, bewegt dieses Drücken nichts. Die Flüssigkeit wird zurückschieben und alles wird still bleiben. (Wenn komprimierbar, gibt es andere Überlegungen, aber lassen Sie es uns vorerst einfach halten.)

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: der Druck.

Betrachten Sie anstelle von Querschnittsflächen die Flüssigkeit, die in winzige Würfel aufgeteilt ist. Jede Seite des Würfels wird von der umgebenden Flüssigkeit (oder der Oberfläche des Behälters, wenn entlang der Kante) aufgedrückt, und all dies sind normale Spannungen gegen diese Seiten. Die inkompressible Flüssigkeit in dem winzigen Würfel kann nicht komprimiert werden (das bedeutet schließlich "inkompressibel"), so dass sich der Druck in diesen winzigen Würfeln nicht ändert. Die Kraft, die auf einen dieser winzigen Würfel drückt, sind Normalkräfte, die die Kräfte von den benachbarten Würfeloberflächen präzise aufheben.

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

Ein weiteres Schlüsselkonzept zum Verständnis der Fluidstatik ist das Dichte der Flüssigkeit. Es wird in die Pascalsche Gesetzgleichung aufgenommen, und jede Flüssigkeit (sowie Feststoffe und Gase) hat Dichten, die experimentell bestimmt werden können. Hier sind eine Handvoll von gemeinsame Dichten.

Die Dichte ist die Masse pro Volumeneinheit. Denken Sie jetzt an verschiedene Flüssigkeiten, die alle in die winzigen Würfel aufgeteilt sind, die ich zuvor erwähnt habe. Wenn jeder winzige Würfel die gleiche Größe hat, bedeuten Unterschiede in der Dichte, dass winzige Würfel mit unterschiedlicher Dichte unterschiedliche Mengen an Masse enthalten. Ein winziger Würfel mit höherer Dichte enthält mehr "Zeug" als ein winziger Würfel mit niedrigerer Dichte. Der Würfel mit höherer Dichte ist schwerer als der winzige Würfel mit niedrigerer Dichte und sinkt daher im Vergleich zu dem winzigen Würfel mit niedrigerer Dichte.

Wenn Sie also zwei Flüssigkeiten (oder sogar Nicht-Flüssigkeiten) miteinander mischen, sinken die dichteren Teile, und die weniger dichten Teile steigen auf. Dies zeigt sich auch im Prinzip von Auftrieb, das erklärt, wie die Verdrängung von Flüssigkeit zu einer Aufwärtskraft führt, wenn Sie sich an Ihre erinnern Archimedes. Wenn Sie während des Vorgangs auf das Mischen von zwei Flüssigkeiten achten, z. B. wenn Sie Öl und Wasser mischen, kommt es zu einer starken Flüssigkeitsbewegung, die durch abgedeckt wird Flüssigkeitsdynamik.

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 untere Schicht bildet, bis Sie die niedrigste erreichen Dichte Flüssigkeit auf der obersten Schicht. Ein Beispiel hierfür ist in der Grafik auf dieser Seite dargestellt, in der sich Flüssigkeiten unterschiedlicher Typen aufgrund ihrer relativen Dichte in geschichtete Schichten differenziert haben.