购买
下载掌阅APP,畅读海量书库
立即打开
畅读海量书库
扫码下载掌阅APP

3. 压力就是指压强

在工程问题中,最重要的通常不是力的实际大小,而是单位面积上力的大小。例如,小轿车会陷进松软的土地中,而重得多的履带车却可以安然地通过,就是因为履带接触地的面积大,对地面压强小。

物体受到外力后,会产生一个内力与之平衡,单位面积上的内力称为应力。与截面平行(或叫相切)的称为切应力,与截面垂直的称为正应力(分为压应力和拉应力),压强就是压应力。由于流体内部不存在拉应力,所以流体内的表面力就分为压强(正应力)和黏性力(切应力)。实际上,在流体力学中,较少使用“压强”这个词,而是直接使用“压力”来表示正应力,这样它才更好地与黏性力对应,都表示单位面积的力。本书后面会频繁地使用压力,都指的是压强,而不会使用压强这个词。

压强与压力
流体内部的压力

固体内部存在着这三种作用力,而静止的流体内部只存在正压力。

从上面按压固体,固体只把力向下传递。

从上面按压容器中的流体,流体会把力向四面传递。

如果换成大量光滑小球,其表现和流体是类似的。因为光滑小球之间也只有正压力,没有正拉力和剪切力。

静止固体在不同方向受的压力可以不同,在被压扁的同时会在对角线方向产生滑动趋势,这由固体内部的剪切力来平衡。

静止流体在不同方向受的压力必须相同,这样才不会产生剪切变形,从而保持静止。

由于大气的存在,地球表面上看起来不受力的物体,其实都受到一个大气压力的作用,所以物体内部总是存在着相应的压力。液体内部的压力是分子之间的排斥力产生的,气体内部的压力是分子热运动互相碰撞产生的。无论液体还是气体,它们内部的压力有一个共同的特点,就是在任何一点上,朝各个方向的压力都相等。这是流体区别于固体的一个特点,是因为流体内部的剪切力性质决定的。固体无论静止还是运动,其内部的剪切力都可以和正应力大小相当。流体静止时内部没有剪切力,即使运动时剪切力也通常比正压力小得多。于是,流体微团基本上只在周围的正压力作用下平衡,这些压力必须相等。

知识点:体积力和表面力

流体力学中把力按照作用形式分为体积力和表面力。

体积力是指作用于整团流体上的力,并且是不需要接触就能施加的力。重力就是一种体积力,如果流体导电或者有磁性,电磁力也是需要考虑的体积力。当流体做变速运动时,受到的惯性力也是体积力。

表面力是指通过接触流体的表面而作用的力。可以是固体对流体的作用力,也可以是相邻的流体对这部分流体的作用力。表面力按作用方向可以分为压力、拉力和剪切力。

对于气体,其分子之间并没有作用力,压力其实是气体分子互相碰撞的宏观表现。显然气体微团之间是不会因为碰撞体现出拉力的。当气体流动时,不同层的气体速度如果不同,就会有黏性剪切力。液体分子大概处于平衡位置,压近一些就体现为排斥力,膨胀一些就体现为吸引力。现实中,液体分子之间的作用力完全取决于外部环境,暴露在大气中的液体分子之间都体现为排斥力,因为要抵抗外界的大气压力。如果是一团处于无重力的真空环境中的液体,它会由于表面张力呈球形,相当于在表层有一个收紧的膜,因此内部的分子之间也有一点排斥力来与之相抵抗。也就是说,液体内部的分子之间都体现为排斥力,只有表层体现出吸引力,即表面张力。

浮在水面上的船在浮力和重力的作用下平衡。重力是体积力,方向向下,所以浮力必然应该是向上的,且与重力相等。虽然阿基米德原理告诉我们浮力的大小等于物体所排开流体的重量,但浮力并不是体积力,而是物体与流体接触的各个接触面上表面力的合力。飞机在空中匀速飞行的时候,升力等于重力,推进力等于阻力。这其中,只有重力是体积力,其他几个力都是表面力的合力。 P0rKCnSLwrwxAEPsnF2ox3tOaTuA3OlQuLY6Fc49V+zOi7+DNKvTjrEA/OQqHu1V

点击中间区域
呼出菜单
上一章
目录
下一章
×

打开