مجال الفيزياء في احصائيات الموائع

إحصائيات السوائل هي مجال الفيزياء الذي يتضمن دراسة السوائل في حالة الراحة. لأن هذه السوائل ليست في حالة حركة ، هذا يعني أنها حققت حالة توازن مستقرة ، لذا فإن إحصائيات السوائل تتعلق إلى حد كبير بفهم ظروف توازن السوائل هذه. عند التركيز على السوائل غير القابلة للضغط (مثل السوائل) على عكس السوائل القابلة للانضغاط (مثل معظم السوائل غازات) ، يشار إليه أحيانًا باسم الهيدروستاتيكا.

لا يخضع السائل عند الراحة لأي إجهاد مطلق ، ويختبر فقط تأثير القوة الطبيعية للسائل المحيط (والجدران ، إذا كانت في حاوية) ، وهي الضغط. (المزيد عن هذا أدناه.) هذا الشكل من حالة توازن السوائل يقال عنه حالة هيدروستاتيكية.

السوائل التي ليست في حالة هيدروستاتيكية أو في حالة راحة ، وبالتالي في نوع من الحركة ، تقع تحت المجال الآخر لميكانيكا السوائل ، ديناميكا السوائل.

ضع في اعتبارك شريحة مستعرضة للسائل. يقال أنها تعاني من إجهاد محض إذا كانت تعاني من إجهاد ذو مستوى عادي ، أو إجهاد يشير في اتجاه داخل الطائرة. مثل هذا الضغط المطلق ، في السائل ، سيسبب الحركة داخل السائل. الضغط الطبيعي ، من ناحية أخرى ، هو دفع إلى تلك المنطقة المستعرضة. إذا كانت المنطقة على الحائط ، مثل جانب الكأس ، فإن المنطقة المقطعية للسائل ستمارس قوة ضد الجدار (عموديًا على المقطع العرضي - وبالتالي ،

قد يكون مفهوم القوة الطبيعية مألوفًا منذ وقت مبكر في دراسة الفيزياء ، لأنه يظهر كثيرًا في العمل مع وتحليل مخططات الجسم الحر. عندما يكون هناك شيء ثابت على الأرض ، فإنه يدفع إلى الأرض بقوة تساوي وزنه. الأرض ، بدورها ، تمارس قوة طبيعية على الجزء السفلي من الجسم. إنها تختبر القوة العادية ، لكن القوة العادية لا تؤدي إلى أي حركة.

ستكون القوة المطلقة إذا دفع شخص ما على الجسم من الجانب ، مما قد يتسبب في تحرك الجسم لفترة طويلة بحيث يمكنه التغلب على مقاومة الاحتكاك. ومع ذلك ، لن تخضع الاحتكاك القوي داخل السائل للاحتكاك ، لأنه لا يوجد احتكاك بين جزيئات السائل. هذا جزء مما يجعلها سائلة بدلاً من مادتين صلبتين.

لكن ، تقولين ، ألا يعني هذا أن المقطع العرضي يتم دفعه مرة أخرى إلى بقية السائل؟ ألا يعني ذلك أنها تتحرك؟

هذه نقطة ممتازة. هذا الشظية المستعرضة من السوائل يتم دفعها مرة أخرى إلى بقية السائل ، ولكن عندما تفعل ذلك يدفع بقية السائل إلى الخلف. إذا كان السائل غير قابل للضغط ، فلن يدفع هذا الضغط أي شيء في أي مكان. السائل سوف يتراجع وسيبقى كل شيء ساكنًا. (إذا كانت قابلة للضغط ، فهناك اعتبارات أخرى ، ولكن دعنا نبقيها بسيطة في الوقت الحالي.)

كل هذه المقاطع العرضية الصغيرة للسائل تدفع ضد بعضها البعض ، وضد جدران الحاوية ، تمثل أجزاء صغيرة من القوة ، وكل هذه القوة تؤدي إلى خاصية مادية مهمة أخرى للسائل: الضغط.

بدلًا من المناطق المستعرضة ، ضع في اعتبارك السائل مقسمًا إلى مكعبات صغيرة. يتم دفع كل جانب من المكعب بواسطة السائل المحيط (أو سطح الحاوية ، إذا كان على طول الحافة) وكل هذه ضغوط عادية على تلك الجوانب. لا يمكن للسائل غير القابل للضغط داخل المكعب الصغير أن يضغط (هذا ما يعنيه "غير قابل للضغط" ، بعد كل شيء) ، لذلك لا يوجد تغيير في الضغط داخل هذه المكعبات الصغيرة. القوة التي تضغط على أحد هذه المكعبات الصغيرة ستكون قوى عادية تحذف بدقة القوى من أسطح المكعب المجاورة.

هذا الإلغاء للقوى في اتجاهات مختلفة هو من الاكتشافات الرئيسية فيما يتعلق بالضغط الهيدروستاتيكي ، والمعروف باسم قانون باسكال بعد الفيزيائي الفرنسي الرائع والرياضي بليز باسكال (1623-1662). هذا يعني أن الضغط في أي نقطة هو نفسه في جميع الاتجاهات الأفقية ، وبالتالي فإن التغيير في الضغط بين نقطتين سيكون متناسبًا مع فرق الارتفاع.

المفهوم الرئيسي الآخر في فهم إحصائيات السوائل هو كثافة من السائل. يتم حسابه في معادلة قانون باسكال ، وكل سائل (بالإضافة إلى المواد الصلبة والغازات) له كثافة يمكن تحديدها تجريبيًا. هنا حفنة من الكثافات المشتركة.

الكثافة هي الكتلة لكل وحدة حجم. الآن فكر في السوائل المختلفة ، تنقسم جميعها إلى تلك المكعبات الصغيرة التي ذكرتها سابقًا. إذا كان كل مكعب صغير بنفس الحجم ، فإن الاختلافات في الكثافة تعني أن المكعبات الصغيرة ذات الكثافات المختلفة سيكون لها كمية مختلفة من الكتلة. يحتوي المكعب الصغير عالي الكثافة على "أشياء" فيه أكثر من المكعب الصغير منخفض الكثافة. سيكون المكعب عالي الكثافة أثقل من المكعب الصغير الأقل كثافة ، وبالتالي سوف يغرق مقارنة بالمكعب الصغير الأقل كثافة.

لذلك إذا قمت بخلط سائلين (أو حتى غير سوائل) معًا ، فإن الأجزاء الأكثر كثافة ستغرق بحيث ترتفع الأجزاء الأقل كثافة. هذا واضح أيضا في مبدأ الطفويفسر ذلك كيف يؤدي إزاحة السائل إلى قوة تصاعدية إذا تذكرت أرخميدس. إذا انتبهت إلى خلط سائلين أثناء حدوثه ، كما هو الحال عند مزج الزيت والماء ، فسيكون هناك الكثير من حركة السوائل ، وهذا سيغطيها ديناميكا السوائل.

ولكن بمجرد أن يصل السائل إلى التوازن ، سيكون لديك سوائل بكثافات مختلفة استقرت في طبقات ، مع وجود سائل عالي الكثافة يشكل الطبقة السفلية ، حتى تصل إلى أدنى مستوى كثافة السوائل في الطبقة العليا. يظهر مثال على ذلك على الرسم البياني في هذه الصفحة ، حيث ميزت السوائل من أنواع مختلفة نفسها إلى طبقات طبقية بناءً على كثافتها النسبية.