气流和水流的舞蹈——流体力学初步

作者: 沈洁

来源: 中科院物理所

发布日期: 2020-04-08 18:00:00

本文介绍了流体力学的基本概念、发展历程及其在工程中的应用,阐述了流体的定义、压强、浮力以及重要的流体力学方程,强调了微积分在理解流体力学中的重要性。

空气和水是我们生活中最常见的物质,但有关它们的流体力学却是物理学最复杂的分支之一。让我们通过大气压强、水的浮力、帕斯卡原理、伯努利原理等内容一窥流体力学的样貌,同时了解流体力学的发展历程。

流体力学大概分成三个方向:第一个是流体在平衡状态下静止的情况,叫做静力学;第二个是在非平衡状态下它动态的情况,叫做动力学;第三个是流体和固体介壁间相对运动时的相互作用和运动规律。

要学习流体力学,首先我们就得知道什么是流体。流体,顾名思义是流动的一个物体,它一般指的是气体和液体,而不是固体。科学的定义就是不能承受剪切应力的状态就是流体。流体的特点有四大特点:可流动性、易变形性、可压缩性、粘滞特性和表面张力。

流体力学的一个重要概念是压强。压强的定义是单位面积上所受的力,国际单位是帕斯卡。通过马德堡半球实验,人们首次证明了大气压的存在。压强的具体数值可以通过托里拆利的水银气压计实验来测定。

在生活中,我们已经用到了压强这个概念。比如图钉和刀都是通过减小接触面积来增大压强,而滑雪橇和坦克则是通过增大接触面积来减小压强。

流体的压强与浮力密切相关。浮力是指液体对浸没在其中的物体产生的向上的力,液体分子从四面八方对物体产生压强,导致下表面的压强大于上表面的压强。

流体力学的两个主要方程是连续性方程和伯努利方程。连续性方程表述了流体在单位面积内流过的体积或质量不变,而伯努利方程则表述了流体的压强、动能和势能之间的关系。

流体力学的发展经历了四个阶段:早期的定性了解、伯努利阶段的定量分析、19世纪的公式发展和现代流体力学的完善。现代流体力学的代表人物包括普朗特和冯·卡门,他们的研究推动了流体力学的进一步发展。

最后,流体力学在工程应用中具有重要意义,学好微积分是理解流体力学的基础。希望通过本次讲座,大家能对流体力学有一个初步的概念。

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