Die moderne Luftfahrt wäre ohne aerodynamische Analysen nach den Grundprinzipien der Strömungsmechanik nicht möglich. Obwohl "Flüssigkeit" in der Konversationssprache oft gleichbedeutend mit "Flüssigkeit" ist, gilt das wissenschaftliche Konzept einer Flüssigkeit sowohl für Gase als auch für Flüssigkeiten. Das bestimmende Merkmal von Flüssigkeiten ist die Tendenz zum Fließen – oder in der Fachsprache, sich kontinuierlich zu verformen – unter Belastung. Der Begriff des Drucks ist eng mit den wichtigen Eigenschaften eines strömenden Fluids verbunden.
Die Macht des Drucks
Die technische Definition von Druck ist Kraft pro Flächeneinheit. Druck kann aussagekräftiger sein als verwandte Größen wie Masse oder Kraft, da die praktischen Konsequenzen verschiedener Szenarien oft primär vom Druck abhängen. Wenn Sie beispielsweise mit der Fingerspitze eine leichte Kraft nach unten auf eine Gurke ausüben, passiert nichts. Wenn Sie dieselbe Kraft mit der Klinge eines scharfen Messers aufbringen, schneiden Sie die Gurke durch. Die Kraft ist gleich, aber die Klingenkante hat eine viel kleinere Oberfläche und somit ist die Kraft pro Flächeneinheit – mit anderen Worten der Druck – viel höher.
Fließende Kräfte
Druck gilt sowohl für Flüssigkeiten als auch für feste Gegenstände. Sie können den Druck einer Flüssigkeit verstehen, indem Sie sich Wasser vorstellen, das durch einen Schlauch fließt. Das sich bewegende Fluid übt eine Kraft auf die Innenwände des Schlauchs aus, und der Druck des Fluids entspricht dieser Kraft geteilt durch die Innenfläche des Schlauchs an einem bestimmten Punkt.
Begrenzte Energie
Wenn Druck gleich Kraft geteilt durch Fläche ist, ist Druck auch gleich Kraft mal Weg geteilt durch Fläche mal Weg: FD/AD=P. Fläche mal Entfernung entspricht dem Volumen und Kraft mal Entfernung ist die Formel für Arbeit, die in dieser Situation der Energie entspricht. Somit kann der Druck einer Flüssigkeit auch als Energiedichte definiert werden: die Gesamtenergie der Flüssigkeit geteilt durch das Volumen, in dem die Flüssigkeit strömt. Für den vereinfachten Fall eines Fluids, das beim Fließen seine Höhe nicht ändert, ist die Gesamtenergie die Summe der Energie des Drucks und der kinetischen Energie der sich bewegenden Fluidmoleküle.
Gesparte Energie
Die fundamentale Beziehung zwischen Druck und Fluidgeschwindigkeit wird in der Bernoulli-Gleichung festgehalten, die besagt, dass die Gesamtenergie einer bewegten Flüssigkeit erhalten bleibt. Mit anderen Worten bleibt die Summe von Energie aus Druck und kinetischer Energie auch bei Änderung der Durchflussmenge konstant. Durch Anwendung der Bernoulli-Gleichung können Sie zeigen, dass der Druck tatsächlich abnimmt, wenn Flüssigkeit durch eine Engstelle fließt. Die Gesamtenergie vor der Einschnürung und während der Einschnürung muss gleich sein. Entsprechend der Massenerhaltung muss die Geschwindigkeit des Fluids im eingeschnürten Volumen zunehmen und damit auch die kinetische Energie. Die Gesamtenergie kann sich nicht ändern, daher muss der Druck abnehmen, um den Anstieg der kinetischen Energie auszugleichen.