什麼是流體力學?
流體力學是研究流體內部和外部的力,以及流體的能量和運動的學科。對於任何涉及流體的工程問題——例如噴淋系統、水壩或常見的淡水和汙水管道的設計——都需要流體力學的知識。流體力學包含兩個子領域:流體靜力學,研究靜止的流體;流體動力學,研究運動的流體。然而,在詳細討論這兩個領域之前,我們有必要深入研究幾個基本但必要的概念和定義。
流體的定義
流體定義為一組分子,這些分子服從容器形狀。因此,液體和氣體都可以定義為流體。相比之下,固體往往保持其形狀,因此在容器形狀變化時不容易變形。很明顯,水、油和水銀都是流體的例子;相比之下,鋼管和混凝土都是固體的明顯例子。
流體的有用性質
流體具有一些在流體力學研究中至關重要的性質,其中最重要的是比重(γ)。γ 被定義為流體的重量除以其體積;因此,它的單位在 SI 中為 N m 3 {\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {N}{m^{3}}}\end{matrix}}} ;在英制單位中,γ 為 l b f t 3 {\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {lb}{ft^{3}}}\end{matrix}}} 。流體(或固體)的重量為
w = M g {\displaystyle \mathbf {w} =Mg}
其中 w 是重量,M 是質量,g 是重力常數。g 在 SI 中的單位是 m s 2 {\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {m}{s^{2}}}\end{matrix}}} ,在英制單位中,g 為 f t s 2 {\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {ft}{s^{2}}}\end{matrix}}} 。因此,γ 等於
γ = w V {\displaystyle {\boldsymbol {\gamma }}={\begin{matrix}{\frac {w}{V}}\end{matrix}}}
其中 V 是體積,不要與速度混淆,速度我們將在後面定義為 v。另一個重要的流體屬性是密度(ρ),它被定義為單位體積流體的質量。
ρ = M V {\displaystyle {\boldsymbol {\rho }}={\begin{matrix}{\frac {M}{V}}\end{matrix}}}
它在 SI 和英制中的單位分別為 k g m 3 {\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {kg}{m^{3}}}\end{matrix}}} 和 s l u g s f t 3 {\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {slugs}{ft^{3}}}\end{matrix}}} 。密度和比重之間的關係相當明顯,細心的讀者無疑會很快發現
γ = ρ g = M g V {\displaystyle {\boldsymbol {\gamma }}={\boldsymbol {\rho }}g={\begin{matrix}{\frac {Mg}{V}}\end{matrix}}}
因為,很明顯,重量除以體積等於質量乘以g除以相同體積的流體。
壓力
流體上的壓力或由流體引起的壓力定義為所施加的力除以施加力的面積。從數學上來說,我們定義壓力為
P = F A {\displaystyle P={\begin{matrix}{\frac {\mathbf {F} }{A}}\end{matrix}}}
壓力的單位是帕斯卡(Pa);1 帕斯卡等於 1 N m 2 {\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {1N}{m^{2}}}\end{matrix}}} . 壓力將是我們對流體力學第一個詳細研究,即流體靜力學的基礎。
流體靜力學,如前所述,是研究靜止流體的學科。例如,透過流體靜力學概念可以推匯出靜止水體對阻擋它的水壩側面的壓力。
本節將討論關於壓力的幾個方面,它們都與靜止流體池中壓力如何變化和作用的問題有關。例如,我們希望能夠回答諸如:在 5 米深的水中,會有多少帕斯卡的壓力?此外,我們希望能夠對流體壓力的作用方向做出結論;例如,作用在 5 米深潛水員身上的向上壓力是否等於作用在該潛水員身上的向下壓力?此外,潛水員上方的水量是否會影響潛水員所承受的壓力?換句話說,半徑為 1 釐米的 8 釐米高的玻璃杯底部壓力是否等於半徑為 8 釐米的 8 釐米高的玻璃杯底部壓力?我們將從回顧基礎物理學開始討論。
(順便說一句,通常認為“黑體”符號或字母表示向量。然而,在本例中,黑體用於強調,不一定表示向量。)
牛頓定律,再回顧
艾薩克·牛頓的第一和第二定律在數學形式上如下所示。
對於所有物體
F = M a {\displaystyle \mathbf {F} =M\mathbf {a} }
其中 a {\displaystyle \mathbf {a} } 是物體的加速度,M 是物體的質量。因此,當物體不受任何外力時, a {\displaystyle \mathbf {a} } 必須為零。因此,在這種特殊情況下
∑ F x = ∑ F y = ∑ F z = 0 {\displaystyle \sum \mathbf {F_{x}} =\sum \mathbf {F_{y}} =\sum \mathbf {F_{z}} =0}
當然,在流體靜力學中,我們假設所討論的流體相對於其周圍環境處於靜止狀態——因此, a {\displaystyle \mathbf {a} } 為零,並且每個方向上的所有力的總和必須如上所示為零。
我們想象一個靜止流體池中間任意一個流體立方體,如圖 1 所示。我們給作用在這個立方體上的未知壓力標上標籤,如圖 1 所示。讓我們將標有“1”的壓力設為“正”方向,我們將標有“2”的壓力設為“負”方向。請注意,這些符號是任意的,如果互換,會產生完全相同的結果。我們假設流體不會因作用在其上的壓力而壓縮。
圖 1 :任意一個靜止流體立方體 。
因此,我們有六個壓力: P 1 x , P 2 x , P 1 y , P 2 y , P 1 z {\displaystyle \mathbf {P_{1x}} ,\mathbf {P_{2x}} ,\mathbf {P_{1y}} ,\mathbf {P_{2y}} ,\mathbf {P_{1z}} } 和 P 2 z {\displaystyle \mathbf {P_{2z}} } (圖中只顯示了一些)。這些壓力中的每一個都作用在立方體的一個面上。當然,這個立方體的深度是任意的,所以我們必須將這些壓力重新定義為立方體中心的某個任意壓力,我們將它標為 P A {\displaystyle \mathbf {P_{A}} } 。
這些壓力中的每一個都可以與 P A {\displaystyle \mathbf {P_{A}} } 相關聯,方法是透過從中心點 (A) 到每個表面的壓力變化。例如,對於 P 1 x {\displaystyle \mathbf {P_{1x}} } ,壓力變化等於壓力相對於 x 方向的偏導數乘以 A 與 P 1 x {\displaystyle \mathbf {P_{1x}} } 作用的表面之間的距離。
δ P X = ∂ P ∂ x δ X ( 1 2 ) {\displaystyle {\boldsymbol {\delta P_{X}}}={\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial x}}{\boldsymbol {\delta X}}\left({\frac {1}{2}}\right)}
其中 δ P X {\displaystyle {\boldsymbol {\delta P_{X}}}} 是點 A 與 P 1 x {\displaystyle \mathbf {P_{1x}} } 和 P 2 x {\displaystyle \mathbf {P_{2x}} } 作用的表面之間的壓力變化。 δ X ( 1 2 ) {\displaystyle {\boldsymbol {\delta X}}\left({\frac {1}{2}}\right)} 是從 A 到任一表面的距離。Y 和 Z 方向的壓力變化可以類似地找到。
δ P Y = ∂ P ∂ y δ Y ( 1 2 ) {\displaystyle {\boldsymbol {\delta P_{Y}}}={\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial y}}{\boldsymbol {\delta Y}}\left({\frac {1}{2}}\right)}
δ P Z = ∂ P ∂ z δ Z ( 1 2 ) {\displaystyle {\boldsymbol {\delta P_{Z}}}={\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial z}}{\boldsymbol {\delta Z}}\left({\frac {1}{2}}\right)}
按照通常的慣例,假設“右”為正,則 P 2 x {\displaystyle \mathbf {P_{2x}} } 等於 P A {\displaystyle \mathbf {P_{A}} } 加上壓力變化。
P 2 x = δ P X + P A = ∂ P ∂ x δ X ( 1 2 ) + P A {\displaystyle \mathbf {P_{2x}} ={\boldsymbol {\delta P_{X}}}+P_{A}={\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial x}}{\boldsymbol {\delta X}}\left({\frac {1}{2}}\right)+P_{A}}
類似地,對於 P 1 x {\displaystyle \mathbf {P_{1x}} } ,壓力變化為負。
P 1 x = − δ P X + P A = − ∂ P ∂ x δ X ( 1 2 ) + P A {\displaystyle \mathbf {P_{1x}} =-{\boldsymbol {\delta P_{X}}}+P_{A}=-{\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial x}}{\boldsymbol {\delta X}}\left({\frac {1}{2}}\right)+P_{A}}
當然,所有其他壓力都可以用相同的方式推匯出來。在這裡我們假設——記住,雖然它是任意的,但相反的符號分配會產生相同的結果——Y 方向上的“向上”和 Z 方向上從顯示器“向外”都是正的
P 1 y = − δ P Y + P A = − ∂ P ∂ y δ Y ( 1 2 ) + P A {\displaystyle \mathbf {P_{1y}} =-{\boldsymbol {\delta P_{Y}}}+P_{A}=-{\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial y}}{\boldsymbol {\delta Y}}\left({\frac {1}{2}}\right)+P_{A}}
P 2 y = δ P Y + P A = ∂ P ∂ y δ Y ( 1 2 ) + P A {\displaystyle \mathbf {P_{2y}} ={\boldsymbol {\delta P_{Y}}}+P_{A}={\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial y}}{\boldsymbol {\delta Y}}\left({\frac {1}{2}}\right)+P_{A}}
P 1 Z = − δ P Z + P A = − ∂ P ∂ z δ Z ( 1 2 ) + P A {\displaystyle \mathbf {P_{1Z}} =-{\boldsymbol {\delta P_{Z}}}+P_{A}=-{\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial z}}{\boldsymbol {\delta Z}}\left({\frac {1}{2}}\right)+P_{A}}
P 2 Z = δ P Z + P A = ∂ P ∂ z δ Z ( 1 2 ) + P A {\displaystyle \mathbf {P_{2Z}} ={\boldsymbol {\delta P_{Z}}}+P_{A}={\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial z}}{\boldsymbol {\delta Z}}\left({\frac {1}{2}}\right)+P_{A}}
現在我們已經推匯出立方體每個面的壓力,我們試圖使用牛頓定律來求解壓力。我們知道作用在立方體上的總力必須等於它的質量乘以它的加速度。但是,我們開始推導時假設立方體是靜止的。因此,
∑ F T = 0 {\displaystyle \sum \mathbf {F_{T}} =0}
由於我們現在知道壓力,我們可以找到作用在每個面上的力。例如,作用在正 X 方向上的力等於
F 1 x = ( δ Z δ Y ) P 1 X = δ Z δ Y ( − ∂ P ∂ x δ X ( 1 2 ) + P A ) {\displaystyle \mathbf {F_{1x}} =({\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}})\mathbf {P_{1X}} ={\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}({\frac {-\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial x}}{\boldsymbol {\delta X}}\left({\frac {1}{2}}\right)+P_{A})}
由於,記住,
F = P A {\displaystyle \mathbf {F} =PA}
當然,在這裡,看一下圖 1,很明顯
δ Z δ Y = A {\displaystyle {\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}=A}
使用相同的方法,我們可以得出結論:
F 2 x = ( δ Z δ Y ) P 2 X = δ Z δ Y ( ∂ P ∂ x δ X ( 1 2 ) + P A ) {\displaystyle \mathbf {F_{2x}} =({\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}})\mathbf {P_{2X}} ={\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}({\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial x}}{\boldsymbol {\delta X}}\left({\frac {1}{2}}\right)+P_{A})}
因此,我們可以將 X 方向上的力加起來得到:
∑ F X = 0 = δ Z δ Y ( ∂ P ∂ x δ X ( 1 2 ) + P A ) − δ Z δ Y ( − ∂ P
0 = δ Z δ Y ∂ P ∂ x δ X ( 1 2 ) + P A + δ Z δ Y ∂ P ∂ x δ X ( 1 2 ) − P A {\displaystyle 0={\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}{\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial x}}{\boldsymbol {\delta X}}\left({\frac {1}{2}}\right)+P_{A}+{\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}{\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial x}}{\boldsymbol {\delta X}}\left({\frac {1}{2}}\right)-P_{A}}
0 = δ Z δ Y ∂ P ∂ x δ X ( 1 2 ) + δ Z δ Y ∂ P ∂ x δ X ( 1 2 ) {\displaystyle 0={\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}{\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial x}}{\boldsymbol {\delta X}}\left({\frac {1}{2}}\right)+{\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}{\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial x}}{\boldsymbol {\delta X}}\left({\frac {1}{2}}\right)}
0 = δ Z δ Y δ X ∂ P ∂ x = ∂ P ∂ x δ V {\displaystyle 0={\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}{\boldsymbol {\delta X}}{\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial x}}={\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial x}}{\boldsymbol {\delta V}}}
這裡, δ {\displaystyle {\boldsymbol {\delta }}} 符號表示“少量”,因此 δ V {\displaystyle {\boldsymbol {\delta V}}} 表示“一小塊體積”。
請注意,在這個簡單的等式中包含了我們最初問題的部分答案。我們試圖確定壓力的變化方式。上面的等式告訴我們,流體立方體的體積與 X 方向上的壓力變化的乘積始終為零。假設我們任意立方體的體積不為零,這意味著 X 方向上的壓力變化必須為零!這比你想象的意義更大。個人經驗告訴我們,我們在游泳池潛水時感受到的壓力取決於我們的深度,而不是我們在游泳池中的位置。我們從經驗中知道,游泳池一端底部的壓力與同一游泳池另一端底部的壓力感覺沒有任何不同。然而,如果沒有這樣的經驗,我們可能永遠不會意識到我們世界中的這一方面。然而,利用相當簡單的邏輯和數學,我們不僅可以證明這些假設,甚至可以在沒有直接經驗或資料的情況下準確地預測它們。
繼續完成我們的證明,我們可以像對 X 方向一樣對 Z 方向上的力求和。這是因為作用在 Z 方向上的只有兩個力,它們是由壓力引起的相反力。就像在 X 方向一樣, P A {\displaystyle \mathbf {P_{A}} } 相互抵消,我們剩下類似的方程
0 = δ Z δ Y δ X ∂ P ∂ z = ∂ P ∂ z δ V {\displaystyle 0={\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}{\boldsymbol {\delta X}}{\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial z}}={\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial z}}{\boldsymbol {\delta V}}}
因此,水池中 Z 方向上的壓力變化必須為零。如果讀者對此沒有完全信服,我建議她推匯出上面的結論。
起初,我們可能傾向於聲稱 Y 方向上的壓力推導與 X 和 Z 方向上的壓力推導基本相同。然而,仔細閱讀的讀者會注意到,在圖 1 中,沒有忽略流體的重量。流體的重量等於比重乘以體積
δ Z δ Y δ X γ = δ V γ = W {\displaystyle {\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}{\boldsymbol {\delta X}}{\boldsymbol {\gamma }}={\boldsymbol {\delta V\gamma }}={\boldsymbol {W}}}
這是因為你會記得,比體積等於重量除以體積。因此,將比重乘以體積得到重量。
因此,Y 方向上的力的總和揭示了以下等式
∑ F Y = W = δ Z δ Y δ X γ = δ Z δ Y ( ∂ P ∂ y δ Y ( 1 2 ) + P A ) − δ Z δ Y ( − ∂ P ∂ y δ Y ( 1 2 ) + P A ) {\displaystyle \sum \mathbf {F_{Y}} =W={\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}{\boldsymbol {\delta X}}{\boldsymbol {\gamma }}={\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}({\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial y}}{\boldsymbol {\delta Y}}\left({\frac {1}{2}}\right)+P_{A})-{\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}({\frac {-\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial y}}{\boldsymbol {\delta Y}}\left({\frac {1}{2}}\right)+P_{A})}
A 處的壓力再次相互抵消,我們有
δ Z δ Y δ X γ = δ Z δ Y δ X ∂ P ∂ y = ∂ P ∂ y δ V {\displaystyle {\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}{\boldsymbol {\delta X}}{\boldsymbol {\gamma }}={\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}{\boldsymbol {\delta X}}{\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial y}}={\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial y}}{\boldsymbol {\delta V}}}
因此,我們可以消去小體積,得到
γ = ∂ P ∂ y {\displaystyle {\boldsymbol {\gamma }}={\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial y}}}
現在(終於!!)我們可以推匯出壓力的公式。將 y 的導數相乘並積分,得到
∫ P 1 P 2 d P = ∫ y 1 y 2 γ d y {\displaystyle \int _{P_{1}}^{P_{2}}dP=\int _{y_{1}}^{y_{2}}{\boldsymbol {\gamma }}dy}
Δ P = ( y 2 − y 1 ) γ {\displaystyle {\boldsymbol {\Delta P}}=(y_{2}-y_{1}){\boldsymbol {\gamma }}}
因此,靜止流體中兩點之間的壓差等於流體比重與流體深度變化的乘積。因此,我們可以陳述有關流體靜力的兩個定律
1. 壓強只隨流體深度的變化而變化;沒有其他尺寸變化會影響壓強。
2. 由於靜止流體中的一點必須沒有淨力作用在其上,因此壓強從各個角度均勻地作用。
通常,流體力學問題假設一個參考壓強,該壓強等效於大氣壓強。這是因為,由於壓強總是測量為變化量,所以讓大氣壓強等於零,然後根據該參考壓強測量所有其他壓強,更實際。這被稱為“表壓”。例如,如果想要測量湖底的壓強,讓湖表面的大氣壓強為零更方便,因此湖中某個深度的壓強為
P = ( h ) γ {\displaystyle \mathbf {P} =(h){\boldsymbol {\gamma }}}
這裡, h {\displaystyle \mathbf {h} } 是系統參考線到該點的距離,例如,對於湖泊,該距離是從水面到該點的距離。另一方面,“絕對壓強”是從零參考值測量的壓強。換句話說,在這種情況下,它將包括施加在湖面的大氣壓強。
例題 1 :求水管中的壓強。
圖 2 :水箱和水管裝置。
考慮圖 2 右側的水箱和水管裝置。除非另有說明,我們假設每個壓強都是表壓。求以下值
i ) {\displaystyle {\boldsymbol {i)}}} 點 A 的壓強, P A {\displaystyle \mathbf {P_{A}} } .
解 :
P A {\displaystyle \mathbf {P_{A}} } = h A {\displaystyle \mathbf {h_{A}} } γ {\displaystyle \mathbf {\gamma } } , 其中 γ {\displaystyle \mathbf {\gamma } } 是流體的比重 - 在這種情況下是水。 因此,
P A {\displaystyle \mathbf {P_{A}} } = 2 ( 9.8 ) ( K N m 3 ) m {\displaystyle 2(9.8)\left({\frac {KN}{m^{3}}}\right)m}
P A {\displaystyle \mathbf {P_{A}} } = 19.6 ( K N m 2 ) {\displaystyle 19.6\left({\frac {KN}{m^{2}}}\right)}
P A {\displaystyle \mathbf {P_{A}} } = 19.6 K P a {\displaystyle 19.6\mathbf {KPa} }
i i ) {\displaystyle {\boldsymbol {ii)}}} 點 B 的壓力, P B {\displaystyle \mathbf {P_{B}} } .
解 :
P B {\displaystyle \mathbf {P_{B}} } = [ h A + h B ] γ {\displaystyle [\mathbf {h_{A}} +\mathbf {h_{B}} ]\mathbf {\gamma } }
P B {\displaystyle \mathbf {P_{B}} } = 3 ( 9.8 ) ( K N m 3 ) m {\displaystyle 3(9.8)\left({\frac {KN}{m^{3}}}\right)m}
P B {\displaystyle \mathbf {P_{B}} } = 29.4 ( K N m 2 ) {\displaystyle 29.4\left({\frac {KN}{m^{2}}}\right)}
P B {\displaystyle \mathbf {P_{B}} } = 29.4 K P a {\displaystyle 29.4\mathbf {KPa} }
i i i ) {\displaystyle {\boldsymbol {iii)}}} 點C的絕對壓力, P c {\displaystyle \mathbf {P_{c}} } .
解 :
點C的絕對壓力是大氣壓, P 0 {\displaystyle {\boldsymbol {P_{0}}}}
i v ) {\displaystyle {\boldsymbol {iv)}}} 點B的絕對壓力, P b {\displaystyle \mathbf {P_{b}} } .
解 :
P b {\displaystyle \mathbf {P_{b}} } = [ h A + h B ] γ + P 0 {\displaystyle [\mathbf {h_{A}} +\mathbf {h_{B}} ]\mathbf {\gamma } +\mathbf {P_{0}} }
P b {\displaystyle \mathbf {P_{b}} } = 3 ( 9.8 ) + 101 K P a ( K N m 3 ) m {\displaystyle 3(9.8)+101\mathbf {KPa} \left({\frac {KN}{m^{3}}}\right)m}
P b {\displaystyle \mathbf {P_{b}} } = 130.4 ( K N m 2 ) {\displaystyle 130.4\left({\frac {KN}{m^{2}}}\right)}
P b {\displaystyle \mathbf {P_{b}} } = 130.4 K P a {\displaystyle 130.4\mathbf {KPa} }
例題 2 :尋找不漏水的管道長度 'r' 的最小值。
圖 3 : 尋找管道長度 'r',以確保水不會從管道末端洩漏。
一位罐體設計師想知道圖 3 所示的管道 'r' 的最小長度,她需要購買的長度,以確保系統不會洩漏水。此外,她告訴你罐體底部的壓力是一個常數 466 K P a {\displaystyle 466\mathbf {KPa} } 。找到她必須購買的最少管道長度 'r'。