Væskestatikk

Dorling Kindersley/Getty Images

Væskestatikk er fysikkfeltet som involverer studiet av væsker i hvile. Fordi disse væskene ikke er i bevegelse, betyr det at de har oppnådd en stabil likevektstilstand, så væskestatikk handler i stor grad om å forstå disse væskelikevektsforholdene. Når du fokuserer på inkompressible væsker (som væsker) i motsetning til komprimerbare væsker (som de fleste gasser ), blir det noen ganger referert til som hydrostatikk .

En væske i hvile utsettes ikke for noen ren påkjenning, og opplever kun påvirkningen av normalkraften til den omkringliggende væsken (og veggene, hvis de er i en beholder), som er press . (Mer om dette nedenfor.) Denne formen for likevektstilstand for en væske sies å være en hydrostatisk tilstand .

Væsker som ikke er i en hydrostatisk tilstand eller i hvile, og derfor er i en slags bevegelse, faller inn under det andre feltet av fluidmekanikk, væskedynamikk .

Hovedkonsepter for væskestatikk

Ren stress kontra normalt stress

Tenk på et tverrsnittsstykke av en væske. Det sies å oppleve en ren spenning hvis den opplever en stress som er koplanar, eller en stress som peker i en retning innenfor planet. En slik ren spenning i en væske vil forårsake bevegelse inne i væsken. Normal stress, derimot, er et trykk inn i det tverrsnittsområdet. Hvis området er mot en vegg, for eksempel siden av et beger, vil tverrsnittsarealet til væsken utøve en kraft mot veggen (vinkelrett på tverrsnittet - derfor, ikke i samme plan som det). Væsken utøver en kraft mot veggen og veggen utøver en kraft tilbake, så det er netto kraft og derfor ingen endring i bevegelse.

Konseptet med en normalkraft kan være kjent fra tidlig i fysikkstudiet, fordi det dukker opp mye når man arbeider med og analyserer fri-kroppsdiagrammer . Når noe sitter stille på bakken, skyver det ned mot bakken med en kraft lik vekten. Bakken på sin side utøver en normal kraft tilbake på bunnen av objektet. Den opplever normalkraften, men normalkraften resulterer ikke i noen bevegelse.

En ren kraft ville være hvis noen dyttet på objektet fra siden, noe som ville føre til at objektet beveger seg så lenge at det kan overvinne motstanden fra friksjon. En kraft i samme plan i en væske vil imidlertid ikke være utsatt for friksjon, fordi det ikke er friksjon mellom molekyler i en væske. Det er noe av det som gjør det til en væske i stedet for to faste stoffer.

Men, sier du, ville det ikke bety at tverrsnittet skyves tilbake i resten av væsken? Og ville det ikke bety at den beveger seg?

Dette er et utmerket poeng. Det tverrsnittet av væsken blir presset tilbake inn i resten av væsken, men når den gjør det, skyver resten av væsken tilbake. Hvis væsken er inkompressibel, vil ikke denne pressingen flytte noe sted. Væsken kommer til å presse seg tilbake og alt vil forbli stille. (Hvis komprimerbart, er det andre hensyn, men la oss holde det enkelt for nå.)

Press

Alle disse bittesmå tverrsnittene av væske som skyver mot hverandre, og mot beholderens vegger, representerer bittesmå biter av kraft, og all denne kraften resulterer i en annen viktig fysisk egenskap ved væsken: trykket.

I stedet for tverrsnittsarealer, bør du vurdere væsken delt opp i bittesmå terninger. Hver side av kuben blir skjøvet på av den omgivende væsken (eller overflaten av beholderen, hvis langs kanten), og alle disse er normale påkjenninger mot disse sidene. Den ukomprimerbare væsken i den lille kuben kan ikke komprimeres (det er tross alt hva 'ukomprimerbar' betyr), så det er ingen trykkendring i disse små kubene. Kraften som trykker på en av disse bittesmå kubene vil være normale krefter som nøyaktig opphever kreftene fra de tilstøtende terningoverflatene.

Denne kanselleringen av krefter i ulike retninger er av nøkkelfunnene i forhold til hydrostatisk trykk, kjent som Pascals lov etter den briljante franske fysikeren og matematikeren Blaise Pascal (1623-1662). Dette betyr at trykket på et hvilket som helst punkt er likt i alle horisontale retninger, og derfor at trykkendringen mellom to punkter vil være proporsjonal med høydeforskjellen.

Tetthet

Et annet nøkkelbegrep for å forstå væskestatikk er tetthet av væsken. Det figurerer inn i Pascals lovligning, og hver væske (så vel som faste stoffer og gasser) har tettheter som kan bestemmes eksperimentelt. Her er en håndfull vanlige tettheter .

Tetthet er massen per volumenhet. Tenk nå på forskjellige væsker, alle delt opp i de små terningene jeg nevnte tidligere. Hvis hver ørsmå terning har samme størrelse, betyr forskjeller i tetthet at ørsmå terninger med forskjellig tetthet vil ha ulik masse i seg. En liten kube med høyere tetthet vil ha mer 'ting' i seg enn en liten kube med lavere tetthet. Terningen med høyere tetthet vil være tyngre enn den lille kuben med lavere tetthet, og vil derfor synke i forhold til den lille kuben med lavere tetthet.

Så hvis du blander to væsker (eller til og med ikke-væsker) sammen, vil de tettere delene synke at de mindre tette delene vil stige. Dette er også tydelig i prinsippet om oppdrift , som forklarer hvordan forskyvning av væske resulterer i en oppadgående kraft, hvis du husker din Arkimedes . Hvis du legger merke til blandingen av to væsker mens det skjer, for eksempel når du blander olje og vann, vil det være mye væskebevegelse, og det vil dekkes av væskedynamikk .

Men når væsken når likevekt, vil du ha væsker med forskjellige tettheter som har lagt seg i lag, med væske med høyeste tetthet som danner bunnlaget, helt til du når det laveste tetthet væske på topplaget. Et eksempel på dette er vist på grafikken på denne siden, der væsker av forskjellige typer har differensiert seg til lagdelte lag basert på deres relative tettheter.