Жидкость - Fluid
Часть серии о |
Механика сплошной среды |
---|
В физике , А жидкость представляет собой жидкость , газ , или другой материал , который непрерывно деформируется ( течет ) при приложении напряжения сдвига , или внешней силы. Они имеют нулевой модуль сдвига или, проще говоря, представляют собой вещества, которые не могут противостоять приложенной к ним силе сдвига .
Хотя термин « текучая среда» обычно включает как жидкую, так и газовую фазы, его определение варьируется в разных областях науки . Определения твердого тела также различаются, и в зависимости от области некоторые вещества могут быть как жидкими, так и твердыми. Вязкоупругие жидкости, такие как Silly Putty, по- видимому, ведут себя подобно твердому телу при приложении внезапной силы. Также вещества с очень высокой вязкостью, такие как смола, ведут себя как твердое тело (см. Эксперимент с падением смолы ). В физике элементарных частиц это понятие расширено и включает текучие вещества, отличные от жидкостей или газов. Под жидкостью в медицине или биологии понимается любой жидкий компонент тела ( жидкость организма ), тогда как «жидкость» в этом смысле не используется. Иногда жидкости, вводимые для восполнения жидкости путем питья или инъекции, также называют жидкостями (например, «пейте много жидкости»). В гидравлике , жидкость представляет собой термин , который относится к жидкости с определенными свойствами, а также является более широким , чем (гидравлическим) масло.
Физика
Жидкости отображают такие свойства, как:
- отсутствие сопротивления остаточной деформации, сопротивление только относительным скоростям деформации посредством диссипации, трения и
- способность течь (также описывается как способность принимать форму контейнера).
Эти свойства обычно являются функцией их неспособности выдерживать напряжение сдвига в статическом равновесии . Напротив, твердые тела реагируют на сдвиг либо пружинной восстанавливающей силой , что означает, что деформации обратимы, либо им требуется определенное начальное напряжение, прежде чем они деформируются (см. Пластичность ).
Твердые тела реагируют восстанавливающими силами как на напряжения сдвига, так и на нормальные напряжения - как сжимающие, так и растягивающие . Напротив, идеальные жидкости реагируют только восстанавливающими силами на нормальные напряжения, называемые давлением : жидкости могут подвергаться как сжимающему напряжению, соответствующему положительному давлению, так и растягивающему напряжению, соответствующему отрицательному давлению . И твердые тела, и жидкости также обладают пределом прочности на разрыв, превышение которого в твердых телах вызывает необратимую деформацию и разрушение, а в жидкостях вызывает возникновение кавитации .
И твердые тела, и жидкости имеют свободные поверхности, для образования которых требуется некоторое количество свободной энергии . В случае твердых тел количество свободной энергии для образования данной единицы площади поверхности называется поверхностной энергией , тогда как для жидкостей такое же количество называется поверхностным натяжением . Способность жидкостей течь приводит к другому поведению в ответ на поверхностное натяжение, чем в твердых телах, хотя в равновесии оба будут пытаться минимизировать свою поверхностную энергию : жидкости имеют тенденцию образовывать округлые капли , тогда как чистые твердые тела имеют тенденцию образовывать кристаллы . Газы не имеют свободных поверхностей и свободно диффундируют .
Моделирование
В твердом теле напряжение сдвига является функцией деформации , но в жидкости напряжение сдвига является функцией скорости деформации . Следствием такого поведения является закон Паскаля, который описывает роль давления в характеристике состояния жидкости.
Поведение жидкостей можно описать уравнениями Навье – Стокса - системой дифференциальных уравнений в частных производных, которые основаны на:
- непрерывность ( сохранение массы ),
- сохранение количества движения ,
- сохранение момента количества движения ,
- сохранение энергии .
Изучение жидкостей - это механика жидкости , которая подразделяется на гидродинамику и статику жидкости в зависимости от того, находится ли жидкость в движении.
Классификация жидкостей
В зависимости от взаимосвязи между напряжением сдвига и скоростью деформации и ее производных жидкости можно охарактеризовать как одну из следующих:
- Ньютоновские жидкости : где напряжение прямо пропорционально скорости деформации
- Неньютоновские жидкости : где напряжение не пропорционально скорости деформации, ее высшим степеням и производным.
Ньютоновские жидкости подчиняются закону вязкости Ньютона и могут быть названы вязкими жидкостями .
Жидкости можно классифицировать по их сжимаемости:
- Сжимаемая жидкость: жидкость, которая вызывает уменьшение объема или изменение плотности при приложении к жидкости давления или когда жидкость становится сверхзвуковой.
- Несжимаемая жидкость: жидкость, объем которой не изменяется при изменении давления или скорости потока (т. Е. Ρ = постоянный), например вода или масло.
Ньютоновские и несжимаемые жидкости на самом деле не существуют, но предполагается, что они предназначены для теоретического расчета. Виртуальные жидкости, которые полностью игнорируют влияние вязкости и сжимаемости, называются идеальными жидкостями .
Смотрите также
использованная литература
- Птица, Роберт Байрон; Стюарт, Уоррен Э .; Лайтфут, Эдвард Н. (2007). Явления переноса . Нью-Йорк: Wiley, исправленное второе издание. п. 912. ISBN 978-0-471-41077-5.