Het fysica-veld van vloeistofstatica

Vloeistofstatica is het gebied van de fysica waarbij vloeistoffen in rust worden bestudeerd. Omdat deze vloeistoffen niet in beweging zijn, betekent dit dat ze een stabiele evenwichtstoestand hebben bereikt, dus vloeistofstatica gaat grotendeels over het begrijpen van deze omstandigheden van het vloeistofevenwicht. Bij het focussen op niet-samendrukbare vloeistoffen (zoals vloeistoffen) in tegenstelling tot samendrukbare vloeistoffen (zoals de meeste gassen), wordt het ook wel aangeduid als hydrostatica.

Een vloeistof in rust ondergaat geen enkele pure stress en ervaart alleen de invloed van de normale kracht van de omringende vloeistof (en wanden, indien in een container), wat de druk. (Meer hierover hieronder.) Deze vorm van evenwichtstoestand van een vloeistof wordt een hydrostatische toestand.

Vloeistoffen die zich niet in een hydrostatische toestand bevinden of in rust zijn en daardoor in beweging zijn, vallen onder het andere veld van de vloeistofmechanica, vloeiende dynamiek.

Overweeg een doorsnede van een vloeistof. Er wordt gezegd dat het pure stress ervaart als het een stress ervaart die coplanair is, of een stress die in een richting binnen het vlak wijst. Zo'n pure spanning, in een vloeistof, veroorzaakt beweging in de vloeistof. Normale spanning daarentegen is een duw in dat dwarsdoorsnedeoppervlak. Als het gebied tegen een muur ligt, zoals de zijkant van een beker, dan zal het dwarsdoorsnedeoppervlak van de vloeistof een kracht op de muur uitoefenen (loodrecht op de dwarsdoorsnede - daarom niet coplanar ernaar). De vloeistof oefent een kracht uit tegen de muur en de muur oefent een kracht terug uit, dus er is netto kracht en dus geen bewegingsverandering.

Het concept van een normaalkracht is misschien al vroeg bekend in de natuurkunde, omdat het veel naar voren komt in het werken met en analyseren vrije lichaam diagrammen. Wanneer iets stil op de grond zit, duwt het naar beneden met een kracht gelijk aan zijn gewicht. De grond oefent op zijn beurt een normale kracht uit op de bodem van het object. Het ervaart de normale kracht, maar de normale kracht resulteert niet in enige beweging.

Een enorme kracht zou zijn als iemand vanaf de zijkant op het object schuift, waardoor het object zo lang beweegt dat het de weerstand van wrijving kan overwinnen. Een kracht coplanair in een vloeistof zal echter niet worden onderworpen aan wrijving, omdat er geen wrijving is tussen moleculen van een vloeistof. Dat maakt deel uit van wat het tot een vloeistof maakt in plaats van twee vaste stoffen.

Maar, zegt u, zou dat niet betekenen dat de dwarsdoorsnede terug in de rest van de vloeistof wordt geschoven? En zou dat niet betekenen dat het beweegt?

Dit is een uitstekend punt. Die dwarsdoorsnede strook vloeistof wordt teruggeduwd in de rest van de vloeistof, maar wanneer dit gebeurt, duwt de rest van de vloeistof terug. Als de vloeistof niet samendrukbaar is, dan zal dit duwen niets ergens naartoe verplaatsen. De vloeistof gaat achteruit en alles blijft stilstaan. (Indien comprimeerbaar, zijn er andere overwegingen, maar laten we het voor nu eenvoudig houden.)

Al deze kleine dwarsdoorsneden van vloeistof die tegen elkaar en tegen de wanden van de container duwen, vertegenwoordigen kleine stukjes kracht, en al deze kracht resulteert in een andere belangrijke fysieke eigenschap van de vloeistof: de druk.

Overweeg in plaats van dwarsdoorsnede gebieden de vloeistof verdeeld in kleine blokjes. Elke zijde van de kubus wordt door de omringende vloeistof (of het oppervlak van de houder, indien langs de rand) opgeduwd en dit zijn allemaal normale spanningen tegen die zijden. De niet-samendrukbare vloeistof in de kleine kubus kan niet worden gecomprimeerd (dat is tenslotte "niet-samendrukbare"), dus er is geen drukverandering in deze kleine kubussen. De kracht die op een van deze kleine kubussen drukt, zijn normale krachten die de krachten van de aangrenzende kubusoppervlakken precies opheffen.

Deze opheffing van krachten in verschillende richtingen is een van de belangrijkste ontdekkingen met betrekking tot hydrostatische druk, bekend als de Wet van Pascal naar de briljante Franse natuurkundige en wiskundige Blaise Pascal (1623-1662). Dit betekent dat de druk op elk punt in alle horizontale richtingen hetzelfde is en dat de drukverandering tussen twee punten evenredig is met het hoogteverschil.

Een ander belangrijk concept voor het begrijpen van vloeistofstatistieken is het dichtheid van de vloeistof. Het komt voor in de vergelijking van de Wet van Pascal, en elke vloeistof (evenals vaste stoffen en gassen) heeft dichtheden die experimenteel kunnen worden bepaald. Hier zijn een handvol van gemeenschappelijke dichtheden.

Dichtheid is de massa per volume-eenheid. Denk nu eens aan verschillende vloeistoffen, allemaal opgesplitst in die kleine blokjes die ik eerder heb genoemd. Als elke kleine kubus dezelfde grootte heeft, betekent verschillen in dichtheid dat kleine kubussen met verschillende dichtheden een verschillende hoeveelheid massa hebben. Een minuscule kubus met een hogere dichtheid bevat meer 'dingen' dan een minuscule kubus met een lagere dichtheid. De kubus met hogere dichtheid zal zwaarder zijn dan de kleine kubus met lagere dichtheid en zal daarom zinken in vergelijking met de kleine kubus met lagere dichtheid.

Dus als u twee vloeistoffen (of zelfs niet-vloeistoffen) met elkaar mengt, zullen de dichtere delen zinken en zullen de minder dichte delen stijgen. Dit blijkt ook uit het principe van drijfvermogen, dat verklaart hoe verplaatsing van vloeistof resulteert in een opwaartse kracht, als u zich uw herinnert Archimedes. Als je aandacht besteedt aan het mengen van twee vloeistoffen terwijl het gebeurt, zoals wanneer je olie en water mengt, zal er veel vloeiende beweging zijn, en dat zou vloeiende dynamiek.

Maar zodra de vloeistof het evenwicht bereikt, hebt u vloeistoffen met verschillende dichtheden die zich in lagen hebben afgezet, waarbij de vloeistof met de hoogste dichtheid de onderste laag vormt, totdat u de laagste bereikt dichtheid vloeistof op de bovenste laag. Een voorbeeld hiervan wordt getoond in de afbeelding op deze pagina, waar vloeistoffen van verschillende typen zich hebben gedifferentieerd in gestratificeerde lagen op basis van hun relatieve dichtheden.