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带微积分的物理学/力学/流体力学

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流体力学导论

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什么是流体力学?

流体力学是研究流体内部和外部的力,以及流体的能量和运动的学科。对于任何涉及流体的工程问题——例如喷淋系统、水坝或常见的淡水和污水管道的设计——都需要流体力学的知识。流体力学包含两个子领域:流体静力学,研究静止的流体;流体动力学,研究运动的流体。然而,在详细讨论这两个领域之前,我们有必要深入研究几个基本但必要的概念和定义。

流体的定义

流体定义为一组分子,这些分子服从容器形状。因此,液体和气体都可以定义为流体。相比之下,固体往往保持其形状,因此在容器形状变化时不容易变形。很明显,水、油和水银都是流体的例子;相比之下,钢管和混凝土都是固体的明显例子。

流体的有用性质

流体具有一些在流体力学研究中至关重要的性质,其中最重要的是比重(γ)。γ 被定义为流体的重量除以其体积;因此,它的单位在 SI 中为 ;在英制单位中,γ 为 。流体(或固体)的重量为



其中 w 是重量,M 是质量,g 是重力常数。g 在 SI 中的单位是 ,在英制单位中,g 为 。因此,γ 等于



其中 V 是体积,不要与速度混淆,速度我们将在后面定义为 v。另一个重要的流体属性是密度(ρ),它被定义为单位体积流体的质量。



它在 SI 和英制中的单位分别为 。密度和比重之间的关系相当明显,细心的读者无疑会很快发现



因为,很明显,重量除以体积等于质量乘以g除以相同体积的流体。


压力

流体上的压力或由流体引起的压力定义为所施加的力除以施加力的面积。从数学上来说,我们定义压力为 

压力的单位是帕斯卡(Pa);1 帕斯卡等于 . 压力将是我们对流体力学第一个详细研究,即流体静力学的基础。

流体静力学

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流体静力学,如前所述,是研究静止流体的学科。例如,通过流体静力学概念可以推导出静止水体对阻挡它的水坝侧面的压力。

本节将讨论关于压力的几个方面,它们都与静止流体池中压力如何变化和作用的问题有关。例如,我们希望能够回答诸如:在 5 米深的水中,会有多少帕斯卡的压力?此外,我们希望能够对流体压力的作用方向做出结论;例如,作用在 5 米深潜水员身上的向上压力是否等于作用在该潜水员身上的向下压力?此外,潜水员上方的水量是否会影响潜水员所承受的压力?换句话说,半径为 1 厘米的 8 厘米高的玻璃杯底部压力是否等于半径为 8 厘米的 8 厘米高的玻璃杯底部压力?我们将从回顾基础物理学开始讨论。

(顺便说一句,通常认为“黑体”符号或字母表示向量。然而,在本例中,黑体用于强调,不一定表示向量。)

牛顿定律,再回顾

艾萨克·牛顿的第一和第二定律在数学形式上如下所示。

对于所有物体



其中 是物体的加速度,M 是物体的质量。因此,当物体不受任何外力时, 必须为零。因此,在这种特殊情况下



当然,在流体静力学中,我们假设所讨论的流体相对于其周围环境处于静止状态——因此, 为零,并且每个方向上的所有力的总和必须如上所示为零。

我们想象一个静止流体池中间任意一个流体立方体,如图 1 所示。我们给作用在这个立方体上的未知压力标上标签,如图 1 所示。让我们将标有“1”的压力设为“正”方向,我们将标有“2”的压力设为“负”方向。请注意,这些符号是任意的,如果互换,会产生完全相同的结果。我们假设流体不会因作用在其上的压力而压缩。


图 1任意一个静止流体立方体

因此,我们有六个压力:(图中只显示了一些)。这些压力中的每一个都作用在立方体的一个面上。当然,这个立方体的深度是任意的,所以我们必须将这些压力重新定义为立方体中心的某个任意压力,我们将它标为


这些压力中的每一个都可以与 相关联,方法是通过从中心点 (A) 到每个表面的压力变化。例如,对于 ,压力变化等于压力相对于 x 方向的偏导数乘以 A 与 作用的表面之间的距离。



其中 是点 A 与 作用的表面之间的压力变化。 是从 A 到任一表面的距离。Y 和 Z 方向的压力变化可以类似地找到。





按照通常的惯例,假设“右”为正,则 等于 加上压力变化。



类似地,对于 ,压力变化为负。



当然,所有其他压力都可以用相同的方式推导出来。在这里我们假设——记住,虽然它是任意的,但相反的符号分配会产生相同的结果——Y 方向上的“向上”和 Z 方向上从显示器“向外”都是正的






现在我们已经推导出立方体每个面的压力,我们试图使用牛顿定律来求解压力。我们知道作用在立方体上的总力必须等于它的质量乘以它的加速度。但是,我们开始推导时假设立方体是静止的。因此,



由于我们现在知道压力,我们可以找到作用在每个面上的力。例如,作用在正 X 方向上的力等于



由于,记住,



当然,在这里,看一下图 1,很明显



使用相同的方法,我们可以得出结论:



因此,我们可以将 X 方向上的力加起来得到: