14: 流体力学
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想象一下自己在美国东海岸的海滩上散步。 空气中有海盐的味道，阳光温暖了你的身体。 突然间，你的手机上出现了警报。 热带低气压已形成飓风。 大气压力已降至比平均水平低近15％。 因此，预报员预计会有暴雨、超过100英里/小时的风速和数百万美元的损失。 当你准备撤离时，你会想知道：这么小的压力下降怎么会导致天气发生如此严重的变化？
压力是一种物理现象，其原因远不止是天气。 压力的变化会导致飞机起飞时耳朵 “弹出”。 压力的变化还可能导致水肺潜水员患上一种有时是致命的疾病，称为 “弯曲”，这种疾病发生在潜水员浮出水面时，溶解在人体水中的氮气在极深处恢复到体内的气态状态。 压力是称为浮力的现象的核心，这种现象会导致热气球升起，船只漂浮。 在我们充分理解压力在这些现象中所起的作用之前，我们需要讨论物质的状态和密度的概念。
- 14.1: 流体力学前奏
- 想象一下自己在美国东海岸的海滩上散步。 空气中有海盐的味道，阳光温暖了你的身体。 突然间，你的手机上出现了警报。 热带低气压已形成飓风。 大气压力已降至比平均水平低近15％。 因此，预报员预计会有暴雨、超过100英里/小时的风速和数百万美元的损失。
- 14.2：流体、密度和压力（第 1 部分）
- 流体是一种产生侧向力或剪切力的物质状态。 液体和气体都是流体。 流体静力学是固定流体的物理学。 密度是物质或物体每单位体积的质量，而压力是施加力的单位垂直面积的力。 由恒定密度液体的重量产生的压力由液体的深度、密度和重力引起的加速度的乘积得出。
- 14.3：流体、密度和压力（第 2 部分）
- 压力是为所有物质状态定义的，但在讨论流体时尤其重要。 流体的一个重要特征是，平行于流体表面施加的力的分量没有明显的阻力。 流体的分子只需流动即可适应水平力。 垂直于表面施加的力会压缩或膨胀流体。
- 14.4: 测量压力
- 表压是相对于大气压的压力。 绝对压力是表压和大气压之和。 开管压力计有 U 形管，一端始终处于打开状态。 它们用于测量压力。 水银气压计是一种测量大气压的设备。 压力的 SI 单位是帕斯卡 (Pa)，但通常使用其他几个单位。
- 14.5: 帕斯卡原理和液压系统
- 压力是单位面积上的力。 施加在封闭流体上的压力的变化不会减弱地传递到流体的所有部分及其容器的壁上。 液压系统是一种封闭的流体系统，用于施加力。
- 14.6: 阿基米德原理和浮力
- 浮力是指任何流体中任何物体上的净向上力。 浮力始终存在并作用于部分或全部浸入流体中的任何物体。 阿基米德的原理指出，物体上的浮力等于它所取代的流体的重量。
- 14.7: 流体动力学
- 流量 Q 定义为流过某个时间点 t 的体积 V。流速的 SI 单位为 (m^3) /s，但可以使用其他速率，例如 L/min。 流速和速度由流量的横截面积乘以其平均速度相关。 连续性方程指出，对于不可压缩的流体，流入管道的质量必须等于流出管道的质量。
- 14.8: 伯努利方程
- 伯努利方程指出，在不可压缩的无摩擦流体中，任意两点的压力是相同的。 伯努利的原理是伯努利方程，适用于流体高度恒定的情况。 伯努利原理有许多应用，包括夹带和速度测量。
- 14.9: 粘度和湍流
- 在本小节中，我们将介绍作用于运动流体的摩擦力。 例如，流经管道的流体在流体和壁之间会受到阻力，这是一种摩擦。 不同流体层之间也会发生摩擦。 这些阻力影响流体流经管道的方式。
缩略图：低速流动（Re=20.000）下的 NACA 4412 翼型的雾（水粒子）风洞可视化（CC SA-BY 3.0；Georgepehli）。