流体静力学

ドーリングキンダースリー/ゲッティイメージズ

流体静力学は、静止流体の研究を含む物理学の分野です。これらの流体は動いていないため、安定した平衡状態に達したことを意味します。したがって、流体静力学は主にこれらの流体平衡状態を理解することです。圧縮性流体（ほとんどの流体など）ではなく、非圧縮性流体（液体など）に注目する ガス )、と呼ばれることもあります。 静水圧 .

静止している流体はせん断応力を受けず、周囲の流体 (およびコンテナー内の場合は壁) の法線力の影響を受けるだけです。 プレッシャー . （これについては以下で詳しく説明します。）流体のこの形式の平衡状態は、 静水圧条件 .

静水圧状態または静止状態になく、したがってある種の運動状態にある流体は、流体力学の別の分野に分類されます。 流体力学 .

流体静力学の主要な概念

せん断応力と通常応力

流体の断面スライスを考えてみましょう。同一平面上の応力、または平面内の方向を指す応力が発生している場合、それは完全な応力を経験していると言われています。液体内のこのようなせん断応力は、液体内で運動を引き起こします。一方、法線応力は、その断面積への押し込みです。領域がビーカーの側面などの壁に接している場合、液体の断面積は壁に力を加えます (断面に垂直 - したがって、 いいえ それと同一平面上にある)。液体は壁に対して力を発揮し、壁は逆向きの力を発揮するため、正味の力があり、したがって動きに変化はありません。

法線力の概念は、物理学を勉強する初期の頃からよく知られているかもしれません。 自由体図 .何かが地面に静止していると、その重量に等しい力で地面に向かって押し下げられます。次に、地面は、オブジェクトの底に垂直な力を加えます。それは法線の力を経験しますが、法線の力は何の運動にもなりません。

誰かが側面からオブジェクトを押した場合、純粋な力が発生し、オブジェクトが非常に長く移動して、摩擦の抵抗に打ち勝つことができます。ただし、流体の分子間に摩擦がないため、液体内で同一平面上にある力は摩擦を受けません。これが、2 つの固体ではなく流体である理由の一部です。

しかし、それは断面が流体の残りの部分に押し戻されているということではないでしょうか?そして、それはそれが動くことを意味しませんか？

これは素晴らしい点です。流体のその断面スライバーは、残りの液体に押し戻されていますが、そうすると、残りの流体が押し戻されます。流体が非圧縮性である場合、この押してもどこにも移動しません。流体は押し戻され、すべてが静止します。 (圧縮可能な場合は他にも考慮事項がありますが、ここでは単純にしておきましょう。)

プレッシャー

互いに押し合い、容器の壁に押し付けられる液体のこれらの小さな断面はすべて、小さな力を表し、この力のすべてが、流体のもう 1 つの重要な物理的特性である圧力につながります。

断面積の代わりに、小さな立方体に分割された流体を考えてみましょう。立方体の各側面は、周囲の液体 (または、エッジに沿っている場合はコンテナーの表面) によって押されており、これらはすべて、それらの側面に対する垂直応力です。小さな立方体内の非圧縮性流体は圧縮できないため (これが「非圧縮性」の意味です)、これらの小さな立方体内の圧力は変化しません。これらの小さな立方体の 1 つを押す力は、隣接する立方体の表面からの力を正確に打ち消す垂直方向の力になります。

このさまざまな方向の力の相殺は、静水圧に関連する重要な発見であり、素晴らしいフランスの物理学者および数学者にちなんでパスカルの法則として知られています。 ブレーズ・パスカル (1623-1662)。これは、任意の点での圧力がすべての水平方向で同じであることを意味し、したがって、2 点間の圧力の変化は高さの差に比例します。

密度

流体静力学を理解する上で重要なもう 1 つの概念は、 密度 流体の。これはパスカルの法則の方程式に当てはまり、各流体 (および固体と気体) には実験的に決定できる密度があります。ここにいくつかあります 共通密度 .

密度は、単位体積あたりの質量です。ここで、さまざまな液体について考えてみましょう。これらはすべて、前述の小さな立方体に分割されます。各小さな立方体が同じサイズである場合、密度の違いは、異なる密度の小さな立方体が異なる量の質量を持つことを意味します.密度の高い小さな立方体には、密度の低い小さな立方体よりも多くの「もの」が含まれます。密度の高い立方体は、密度の低い小さな立方体よりも重くなるため、密度の低い小さな立方体に比べて沈みます。

したがって、2 つの流体 (または非流体) を一緒に混合すると、密度の高い部分が沈み、密度の低い部分が上昇します。これは原理的にも明らかです。 浮力 、これは、液体の変位が上向きの力になる方法を説明しています。 アルキメデス .油と水を混ぜるときのように、2 つの流体の混合が起こっているときに注意を払うと、多くの流体の動きがあり、それは 流体力学 .

しかし、流体が平衡に達すると、異なる密度の流体が層に落ち着き、最も密度の高い流体が最下層を形成し、最も低い層に達するまで続きます。 密度 最上層の液体。この例は、このページの図に示されています。ここでは、さまざまな種類の流体が、相対密度に基づいて層状の層に分化しています。