更新时间:2022-08-26 10:52
设△S为ABCD平面上的任一面积,用△P表示作用在面积△S的总作用力,比值△P/△S的极限称为流体静压强。因此,流体单位面积所受到垂直于该表面上的力称为流体的静压强。习惯上,把流体静压强称为静压力,或称压力,而将某一面积上所受到的静压力称为总作用力。
在如图1所示的静止溶液中,任取一点K,并在其周围取微小面积△A,则相邻流体对它就有作用力,设为△F。当微小面积趋于零时,K点的应力为:
式中,p为静止流体中的应力,称为静压力,单位是 或Pa,有时也被称为静压强。
流体静压力有两个重要特性。
第一特性:流体静压力的方向沿作用面的内法线方向,或垂直指向作用面。
因为在静止液体中,切应力等于零,又因为流体不能承受拉力而只能承受压力.所以作用于流体上的唯一的表面力,只有指向作用面的内法线方向的静压力p。
第二特性:静止流体中任意一点流体静压力的大小与作用面的方位无关,即任一点上各方向的流体静压力大小均相等。
在静止流体中取边长为dx,dy,dz的微元六面体,如图2所示,微小平行六面体各边长度dx、dy、dz,各与相应的坐标轴平行。来分析这作用于微小六面体上的力。
作用在平行六面体上的力有表面力和质量力两种。因为在静止流体中没有切应力,所以作用在微小平行六面体的表面只有压力。设A点的流体压力为p。根据流体静压力的特性,一点上的流体压力各个方向都是相等的,所以包含A点的三个垂直面中的一个任一面,例如与xy平面平行的ABCD面,其上各点的流体静压力也等于p。
由于压力是坐标的连续函数,即p=f(x,y,z),所以函数f按泰勒级数展开,并取该级数的前两项,则可以得到与xy坐标面平行的六面体的另一面abcd上各点的压力表示式 ,对于六面体的其他面上的压力,也可以用上述方法写出相应的表达式。
作用在微小平行六面体上的质量力为G,在一般情况下它可能是沿任一方向,它在x轴上的投影为dxdydzρX,其中ρ为流体的密度、dxdydz为微小平行六面体的体积、X为单位质量力在x轴上的投影。
同样,可以写出质量力在x轴和在y轴上的投影。由于微小平行六面体处于静止状态,所以作用于其上的力在任一坐标轴的投影和等于零。对于X轴:
上式中,density为ρ,将上式中的各项除以ρdxdydz,即单位质量的作用力为 。对y轴和z轴采用同样的方法处理,则得到:
以上计算式为流体平衡微分方程式,也称欧拉平衡方程式。
当流体处在重力场中面积质量仅有重力。单位质量流体所受质量力的3个分量应为X,Y,Z=-g(z轴以向上为正),将欧拉平衡方程式分别乘以dx、dy、dz并相加,得:
由于p=f(x,y,z),则:
将单位质量流体所受质量力的三个分量带入上式,得到:
dp=-ρgdz
对不可压缩流体,ρ为常数,若对上式(dp=-ρgdz)按图3所示进行积分可得到:
该式称为不可压缩流体静力学基本方程。