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流体编辑

 
台风展示了空气作为流体的流动性

有这样一类物体:它们没有固定的形状、可以随意流动。这样的物体有很多,比如水、汽油、空气。大部分时间,它们的形状取决于盛装它们的容器的形状。以上是我们直观的对“流体”的理解。

实际上,流体为什么可以流动,到目前为止,以本书介绍过的知识,尚且无法解释,但是我们可以通过回想一下粉末状的固体的特性,来直观感受一下。粉末状的固体,有一些类似于流体的性质。比如,当你倾斜装面粉的玻璃罐到一定的程度的时候,面粉就会坍塌出另一个形状。面粉的“流动”可以看做一颗颗面粉小颗粒的运动,当这些颗粒足够小而多的时候,我们很难研究他们当中单个的运动,因此只有视为整体来研究。实际上,流体也是这样,我们之后会讲到,物体或者物质,是由组成他们的微粒组成,比如,水,是由水分子组成的。

流体的流动,是因为受到了应力。科学地讲,流体是受到剪应力(应力方向与受力面垂直的应力)能够发生连续形变的物体。主要到,这个形变需要是连续的,意思是,物体的形变更应力是同步的。因此,面粉那样的突然坍塌不能让它被归类为流体。

密度编辑

为什么有些物体,比如酒精,一大瓶也没多重,而铜块一小块就非常重?当我们概念更明确后,我们就会知道,那是因为构成物体的物质,本身具有一种属性,叫做密度。一个物体(或一种物质)的密度虽然不是一成不变的,因为它会受到气压、温度等其他因素的影响,但在相同的其他条件下,这个物理量是不变的,因此被认为是物质的本质属性。

物质,是描述物体单位体积包含物质的多少的单位。我们前边给了质量一个模糊的解释,现在我们借用这个解释来解释密度。由于我们无法统一惯性质量和引力质量,但这两个量在目前看来没有任何区别,因此在不需要严格区分的情形下,我们认为质量已经统一。物体的密度

 
 为物体的质量, 为物体的体积。若研究物质,则上式中的质量确定后,相同其他条件下,体积肯定是确定的,也可以通过类似的方式定义物质的质量。

理想流体编辑

你应该能想象得到,受到高压时虽然体积变化不明显,但是流体确实能被压缩!这个显现对于液体(例如水)来说可能不是那么明显,但是对于气体(例如煤气)来说,会非常明显——小小一个钢瓶能储存大量的煤气。实际上,现实中的流体在重力环境下,底部流体由于受到更多的压强(来自于上方流体重力产生的压强),密度会比顶部高一些。同时,有时候流体的形变并不是那么迅速,例如食用油在桌面上会比水更加缓慢地摊开,同样即使是水,也不能完全摊开,这是因为流体本身具有一定的黏性。 为了更加方便地研究流体,我们假想一种流体,不具备上述特征——不能被随意压缩也不具有黏性,我们将这样的流体看做理想流体。在实际研究中,根据研究情景,大部分黏度(描述黏性大小的物理量)不高的液体都可以视为理想流体。

流体压强编辑

流体内部的同一位置,各个方向上的压强想等。

我们直接在这里说出结论,是因为这个结论的推导过于复杂,需要用到一系列的高等数学知识。现在我们从逻辑的角度对其中一些问题做出简单的解释,但这并不是严密的,也不能退导出上述结论。实际上,这个结论只对牛顿流体(你大可不必研究它们是什么样的流体,因为理想流体一定是牛顿流体)成立。

首先我们可以知晓,流体某一位置,肯定是会受到来自于侧面的压力的。因为我们讲过,流体具有流动性,不能像固体一样,仅仅受到来自于下方的支持力。流体若是不受到侧面的压力,就会流动,这就是为什么水不能凭空形成水柱的原因。除此之外,由于流体内任何一处都是静止的,根据牛顿第三定律,它在该处受到的合外力为 ,也就是说至少相反方向上的力(或应力)大小是相等的。这只是结论中一些细节性问题的说明,仍然不能说明整个结论。

液体压强编辑

由于液体对下方的压力来自于重力,因此,下方受到的压强可以由重力加速度 ,液体深度 ,液体密度 计算出,首先我们假设一个下方面积为 的受力面受到的压力大小为

 
由于质量 本身可以由密度和体积 计算出,即

 
因此下方受到的压强为

 
该公式可以用于计算理想流体内部任意深度的压强。

气体压强编辑

气体与固体不同的地方在于,其他可以扩散。无论气体多少,气体在不考虑万有引力的情况下,总是会充满整个容器,因此气体压强的计算方式同液体完全不同。对于气体,我们之后将会有理想气体的概念,不过现在位置你暂时不用考虑。因为在这里,我们不会提出任何气体压强的计算方法,仅对大气压强做一定的说明。

大气压强编辑

由于行星的引力,大量的气体聚集于行星表面,我们将这些气体构成的环境称为大气。对于地球来说,大气主要集中在离海平面100km以内的区域,这些气体产生的压强称为大气压强。影响地球大气压的因素很多,但在20°C的海平面上,基本上为101.325KPa左右,这个大气压被定义为标准大气压

大气压强总体来说,是随着海拔升高、温度升高、风速升高而降低的。