📖 重力场下的流体


当静止或做匀速运动(流体内部无相对运动)的流体处于重力场中时,其内部的压力分布只受到重力的影响。对于如图1所示的处于重力场中的液体而言,根据欧拉静平衡方程,若取垂直向上为坐标𝒛的正向,则有

\[\text{d}p=-\rho g\text{d}z\]
图1 静止液体内的压力分布

当认为重力加速度与流体密度都为常数时,上面这个公式可以只对高度进行积分,得到液体内的压力公式:

\[\left( {{p}_{0}}+\rho gh \right)A\]

式中:𝒑0为液面处的大气压力;𝒉为水下的深度。

可见,液体内的压力只与大气压、液体密度和深度有关。根据该公式可以有如下的论述:形状不同而底面积相等的容器,内部装有相同深度的水,虽然这时容器中水的重量不同,但水对底面的力却是相同的。例如图2给出了四种不同形状,但底面积相同的容器,水对底面的力就都是相等的。这个结论最早是由帕斯卡
(Blaise Pascal,1623—1662)
  法国物理学家,数学家。
[人物]
提出来的,在当时是一个令人迷惑的现象,被人们称为“流体静力学悖论”。

图2 底面积相同时流体对底面的力相同

显然图2-3中的各个容器内水的重量相差很大,因此对桌面施加的力也各不相同。然而其内部的水对容器底部的力却是相同的,均为,这两者是不是矛盾呢?

当然是不矛盾的,因为水对容器底部施加的力与容器对桌面施加的力根本就没有直接关系。设想容器如果是密封的,其内部的水是上百个大气压,显然水对容器底部施加的力是很大的,但水对容器的上部也施加力。这两者方向相反,大部分都相互抵消了,最终水对容器的作用力的合力也就是水的重量而已。敞口容器也是一样的道理,图2中,用小箭头表示了各壁面上的水压力作用方向,可见容器(b)中的水虽然多,但在底面积投影之外部分的水是被杯壁支撑着的,容器(c)和(d)中的水虽然少,但其容器内部有被水向上施压的表面,这部分的力会抵消一部分水对底部的力。

帕斯卡曾经利用液体中压力的特性进行过一个有趣的表演,如图3所示。在一个密闭的葡萄酒桶的桶盖上插入一根细高的管子,事先在桶内装满水,细管内也预装一定高度的水。表演时,他站在阳台上向细管内灌水,结果只用一杯水就把桶压裂了,这就是历史上有名的帕斯卡桶裂实验。对当时的人们这是不可思议的,即使是现在,这个实验也颇具表演性。这个实验的关键是管子要比较细,一杯水就可以让水增加足够的深度,从而在桶内产生很大的压力。

图3 帕斯卡桶裂实验

我们身边的大气压力和深海中的压力是两个由重力引起的巨大压力的例子。空气的密度虽然很小,但厚厚的大气层还是会在地面附近产生很大的压力。计算大气压力不能简单地使用,因为大气的密度与压力和温度都相关,不同高度的密度相差是很大的,而且重力加速度也是随高度变化的。一般来讲,认为平流层的大气温度是恒定的,在对流层内温度则随着高度线性降低。根据这些关系,以及完全气体的状态方程,就可以使用欧拉静平衡方程式计算得到不同高度的大气压力。

当一个民航客机在11km的高度飞行时,飞机外面大概是0.2个大气压多一点。人是无法适应这样的低压缺氧环境的,于是机舱内要进行增压。我们坐过飞机就会知道,起降过程中机舱内的压力是变化的,也就是说在高空飞行时机舱内并没有增压到地面的大气压力,而是要低一些。一般现代的飞机可增压到0.8个大气压左右,这大概相当于2km高度的压力。一个简单的控制规律是:在2km以上时飞机内的压力控制为0.8个大气压,当飞机降落到高度低于2km时,机舱开始逐步与外界压力趋于相同,这会引起很多人在降落时耳朵不适。之所以客舱不增压到一个大气压显然是出于对机体强度的考虑,随着材料和强度设计的进步,新型的客机有望提高在高空飞行时的机舱压力,让人们在进行空中旅行时更为舒适。

有一种说法,深海与太空一样对人类是神秘莫测的,其中的主要原因就是海水在深处产生的巨大压力使人们到达那里十分困难。如果不考虑往返的旅程,只考虑当地的情况的话,深海甚至比外太空还要危险得多。在外太空,飞船内外的压差也就是一个大气压,在深海,这个压差可以有几百甚至上千个大气压,这对潜水艇的密封和强度都是巨大的挑战。

浮力是流体内压力随深度增加的体现,阿基米德总结出了简单好用的定律:浸在流体中的物体受到的浮力的大小等于被该物体排开的流体的重量。这个定律里面的“排开的流体的重量”实际上是由几个变量构成的:重力加速度𝒈,流体的密度𝝆,物体在深度方向的尺度𝚫𝒉,物体在水平面上的投影面积𝑨,这几个量的乘积正好就是被排开的流体的重量。根据阿基米德定律,如果物体的体积为零,就不受到浮力。一个无厚度的平板浸入水中时,如果是水平放置,则𝚫𝒉=𝟎,其上下表面的压力相同,浮力为零;如果是垂直放置,则𝑨=𝟎,其上下的压力虽然不同,但没有作用面积,浮力还是零。

水下平面和曲面的受力问题是工程上应用广泛的一类问题,水坝、水闸、船舶等的设计中都要进行相关的计算。很多问题中除了要计算水压产生的合力,还要计算合力矩。但无论具体工程问题有多么复杂,流体静力学只有一个关系式,就是欧拉静平衡方程,理解了这个方程的物理意义,就可以举一反三地理解所有流体静力学问题。

─ ☕ ─

静平衡方程 返回主页