Ποιες είναι οι ιδιότητες του υγρού;

Εάν κάποιος σας ζήτησε να ορίσετε το "υγρό", μπορείτε να ξεκινήσετε με την καθημερινή σας εμπειρία με πράγματα που γνωρίζετε ότι θεωρούνται υγρά και προσπαθείτε να γενικεύσετε από εκεί. Το νερό, φυσικά, είναι το πιο σημαντικό και πανταχού παρόν υγρό στη Γη. Ένα πράγμα που το ξεχωρίζει είναι ότι δεν έχει καθορισμένο σχήμα, αντί να συμμορφώνεται με το σχήμα του οτιδήποτε περιέχει, είτε πρόκειται για δακτυλήθρα είτε για μαζική κατάθλιψη στον πλανήτη. Πιθανώς να συσχετίσετε το "υγρό" με το "ρέον", όπως ένα ρεύμα ποταμού ή λιωμένο πάγο που τρέχει κάτω από την πλευρά ενός βράχου.

Ωστόσο, αυτή η ιδέα «Γνωρίζετε ένα υγρό», έχει τα όριά της. Το νερό είναι σαφώς ένα υγρό, όπως και η σόδα. Αλλά τι γίνεται με ένα milkshake, το οποίο απλώνεται σε οποιαδήποτε επιφάνεια χύνεται, αλλά πιο αργά από το νερό ή τη σόδα. Και αν ένα milkshake είναι υγρό, τότε τι γίνεται με το παγωτό που πρόκειται να λιώσει; Ή το ίδιο το παγωτό; Όπως συμβαίνει, οι φυσικοί έχουν παράγει χρήσιμα επίσημους ορισμούς για ένα υγρό, μαζί με τις άλλες δύο καταστάσεις της ύλης.

Η ύλη μπορεί να υπάρχει σε μία από τις τρεις καταστάσεις: Ως στερεό, υγρό ή αέριο. Μπορεί να δείτε άτομα που χρησιμοποιούν "υγρό" και "υγρό" εναλλακτικά στην καθημερινή γλώσσα, όπως "Πίνετε πολλά υγρά όταν ασκείστε σε ζεστό καιρό" και "Είναι σημαντικό να καταναλώνεις πολλά υγρά όταν τρέχεις μαραθώνιο." Αλλά τυπικά, η υγρή κατάσταση της ύλης και η κατάσταση της ύλης του αερίου συνθέτουν μαζί υγρά. Ένα υγρό είναι οτιδήποτε δεν έχει την ικανότητα να αντιστέκεται στην παραμόρφωση. Αν και δεν είναι όλα τα υγρά είναι υγρά, οι φυσικές εξισώσεις που διέπουν τα υγρά ισχύουν καθολικά τόσο στα υγρά όσο και στα αέρια. Επομένως, οποιοδήποτε μαθηματικό πρόβλημα που σας ζητείται να επιλύσετε που περιλαμβάνει υγρά μπορεί να επιλυθεί χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις που διέπουν τη δυναμική των υγρών και την κινητική.

Τα στερεά, τα υγρά και τα αέρια αποτελούνται από μικροσκοπικά σωματίδια, με τη συμπεριφορά του καθενός να καθορίζει την προκύπτουσα κατάσταση της ύλης. Σε ένα στερεό, τα σωματίδια συσκευάζονται σφιχτά, συνήθως σε κανονικό σχέδιο. Αυτά τα σωματίδια δονούνται ή "τσαλακώνουν", αλλά γενικά δεν μετακινούνται από τόπο σε τόπο. Σε ένα αέριο, τα σωματίδια είναι καλά διαχωρισμένα και δεν έχουν κανονική διάταξη. δονείται και κινούνται ελεύθερα σε σημαντικές ταχύτητες. Τα σωματίδια σε ένα υγρό είναι κοντά μεταξύ τους, αν και δεν είναι τόσο σφιχτά συσκευασμένα όσο στα στερεά. Αυτά τα σωματίδια δεν έχουν κανονική διάταξη και μοιάζουν με αέρια παρά με στερεά από αυτή την άποψη. Τα σωματίδια δονούνται, κινούνται και γλιστρούν μεταξύ τους.

Τόσο τα αέρια όσο και τα υγρά έχουν τη μορφή οποιουδήποτε δοχείου καταλαμβάνουν, τα στερεά ιδιοτήτων δεν έχουν. Τα αέρια, επειδή συνήθως έχουν πολύ χώρο μεταξύ των σωματιδίων, συμπιέζονται εύκολα από μηχανικές δυνάμεις. Τα υγρά δεν συμπιέζονται εύκολα και τα στερεά συμπιέζονται ακόμη λιγότερο. Τόσο τα αέρια όσο και τα υγρά, τα οποία όπως προαναφέρθηκαν ονομάζονται υγρά, ρέουν εύκολα. τα στερεά δεν.

Πρώτον, τα υγρά έχουν κινηματικές ιδιότητεςή ιδιότητες που σχετίζονται με την κίνηση ρευστού, όπως η ταχύτητα και η επιτάχυνση. Τα στερεά έχουν φυσικά τέτοιες ιδιότητες, αλλά οι εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για να τις περιγράψουν είναι διαφορετικές. Δεύτερον, τα υγρά έχουν θερμοδυναμικές ιδιότητες, που περιγράφουν τη θερμοδυναμική κατάσταση ενός υγρού. Αυτά περιλαμβάνουν:

• θερμοκρασία
  
• πίεση
  
• πυκνότητα
  
• εσωτερική ενέργεια
  
• συγκεκριμένη εντροπία
  
• συγκεκριμένη ενθαλπία
  
• οι υπολοιποι

Μόνο μερικά από αυτά θα αναλυθούν εδώ. Τέλος, τα υγρά έχουν μια σειρά από διάφορες ιδιότητες που δεν εμπίπτουν σε καμία από τις άλλες δύο κατηγορίες (π.χ. ιξώδες, ένα μέτρο της τριβής ενός υγρού. επιφανειακή τάση και τάση ατμών).

Τα δύο υγρά μεγάλου ενδιαφέροντος στον πραγματικό κόσμο είναι το νερό και ο αέρας. Οι συνήθεις τύποι υγρών εκτός από το νερό περιλαμβάνουν λάδι, βενζίνη, κηροζίνη, διαλύτες και ποτά. Πολλά από τα πιο συχνά απαντώμενα υγρά, συμπεριλαμβανομένων καυσίμων και διαλυτών, είναι δηλητηριώδη, εύφλεκτα ή με άλλο τρόπο επικίνδυνα, καθιστώντας τα επικίνδυνα για στο σπίτι γιατί εάν τα πιάσουν τα παιδιά, μπορεί να τα συγχέουν με πόσιμα υγρά και να τα καταναλώνουν, οδηγώντας σε καταστροφικές καταστάσεις έκτακτης ανάγκης για την υγεία.

Το ανθρώπινο σώμα, και στην πραγματικότητα σχεδόν όλη η ζωή, είναι κυρίως νερό. Το αίμα δεν θεωρείται υγρό, επειδή τα στερεά στο αίμα δεν διασκορπίζονται ομοιόμορφα σε ολόκληρο ή διαλύονται πλήρως σε αυτό. Αντ 'αυτού, θεωρείται αναστολή. Το συστατικό του αίματος στο πλάσμα μπορεί να θεωρηθεί ως υγρό για τους περισσότερους σκοπούς. Ανεξάρτητα, η συντήρηση υγρών είναι ζωτικής σημασίας για την καθημερινή ζωή. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι άνθρωποι δεν σκέφτονται για το πόσο κρίσιμα είναι τα πόσιμα υγρά για την επιβίωση, γιατί στον σύγχρονο κόσμο είναι σπάνιο να μην υπάρχει άμεση πρόσβαση σε καθαρό νερό. Όμως οι άνθρωποι συνήθως αντιμετωπίζουν σωματικό πρόβλημα ως αποτέλεσμα υπερβολικών απωλειών υγρών κατά τη διάρκεια αθλητικών αγώνων όπως μαραθώνιοι, ποδοσφαιρικά παιχνίδια και triathlons, παρόλο που μερικά από αυτά τα γεγονότα περιλαμβάνουν κυριολεκτικά δεκάδες σταθμούς βοήθειας που προσφέρουν νερό, αθλητικά ποτά και ενεργειακά τζελ (που μπορεί να θεωρηθούν υγρά). Είναι μια περιέργεια της εξέλιξης που τόσοι πολλοί άνθρωποι καταφέρνουν να αφυδατωθούν ακόμη και ενώ συνήθως γνωρίζουν πόσο πρέπει να πίνουν για να επιτύχουν κορυφαία απόδοση ή τουλάχιστον να αποφύγουν την εκκαθάριση στο ιατρικό σκηνή.

Μερικές από τις φυσικές των υγρών έχουν περιγραφεί, πιθανώς αρκετές για να σας επιτρέψουν να κρατήσετε τη δική σας σε μια βασική επιστημονική συζήτηση σχετικά με τις ιδιότητες των υγρών. Ωστόσο, είναι στην περιοχή της ροής υγρών όπου τα πράγματα γίνονται ιδιαίτερα ενδιαφέροντα.

Η μηχανική ρευστού είναι ο κλάδος της φυσικής που μελετά τις δυναμικές ιδιότητες των υγρών. Σε αυτήν την ενότητα, λόγω της σημασίας του αέρα και άλλων αερίων στην αεροναυτική και σε άλλους τομείς της μηχανικής, Το "υγρό" μπορεί να αναφέρεται είτε σε ένα υγρό είτε σε ένα αέριο - οποιαδήποτε ουσία που αλλάζει σχήμα ομοιόμορφα σε απόκριση σε εξωτερικό δυνάμεις. Η κίνηση των ρευστών μπορεί να χαρακτηρίζεται από διαφορικές εξισώσεις, οι οποίες προέρχονται από τον λογισμό. Η κίνηση των υγρών, όπως η κίνηση των στερεών, μεταφέρει τη μάζα, την ορμή (ταχύτητα μάζας φορές) και την ενέργεια (δύναμη πολλαπλασιαζόμενη με την απόσταση) στη ροή. Επιπλέον, η κίνηση των ρευστών μπορεί να περιγραφεί με εξισώσεις συντήρησης, όπως οι εξισώσεις Navier-Stokes.

Ένας τρόπος με τον οποίο τα υγρά κινούνται που τα στερεά δεν είναι είναι ότι παρουσιάζουν διάτμηση. Αυτό είναι συνέπεια της ετοιμότητας με την οποία τα υγρά μπορούν να παραμορφωθούν. Η διάτμηση αναφέρεται σε διαφορικές κινήσεις μέσα σε ένα σώμα υγρού ως αποτέλεσμα της εφαρμογής ασύμμετρων δυνάμεων. Ένα παράδειγμα είναι ένας δίαυλος νερού, το οποίο εμφανίζει eddies και άλλες εντοπισμένες κινήσεις, ακόμη και όταν το νερό στο σύνολό του κινείται μέσω του καναλιού με σταθερό ρυθμό ως προς τον όγκο ανά μονάδα χρόνου. Η διατμητική τάση τ (το ελληνικό γράμμα tau) ενός ρευστού είναι ίση με την κλίση ταχύτητας (du / dy) πολλαπλασιαζόμενη με το δυναμικό ιξώδες μ; δηλαδή, τ = μ (du / dy).

Άλλες έννοιες που σχετίζονται με κινήσεις ρευστών περιλαμβάνουν έλξη και ανύψωση, και οι δύο είναι ζωτικής σημασίας στην αεροναυτική μηχανική. Το Drag είναι μια δύναμη αντίστασης που έρχεται σε δύο μορφές: Επιφάνεια έλξης, η οποία δρα μόνο στην επιφάνεια ενός σώματος που κινείται νερό (π.χ., το δέρμα ενός κολυμβητή), και σχηματίζει έλξη, που έχει να κάνει με το συνολικό σχήμα του σώματος που κινείται μέσω του υγρό. Αυτή η δύναμη γράφεται:

φά_ρε = Γ_ρερΑ (v²/2)

Όπου το C είναι μια σταθερά που εξαρτάται από τη φύση του αντικειμένου που αντιμετωπίζει έλξη, το ρ είναι πυκνότητα, το Α είναι περιοχή διατομής και το v είναι ταχύτητα Ομοίως, η ανύψωση, η οποία είναι μια καθαρή δύναμη που δρα κάθετα προς την κατεύθυνση της κίνησης ενός υγρού, περιγράφεται από την έκφραση:

φά_μεγάλο = Γ_μεγάλορΑ (v²/2)

Περίπου το 60 τοις εκατό του συνολικού βάρους του σώματός σας αποτελείται από νερό. Περίπου τα δύο τρίτα αυτού, ή το 40 τοις εκατό του συνολικού βάρους σας, είναι μέσα στα κύτταρα, ενώ το άλλο τρίτο, ή το 20 τοις εκατό του βάρους σας, βρίσκεται σε αυτό που ονομάζεται εξωκυτταρικός χώρος. Το υδατικό συστατικό του αίματος βρίσκεται σε αυτόν τον εξωκυτταρικό χώρο και αντιπροσωπεύει περίπου το ένα τέταρτο του συνόλου του εξωκυτταρικού νερού, δηλαδή, το 5% του συνόλου του σώματος. Δεδομένου ότι περίπου το 60 τοις εκατό του αίματός σας αποτελείται πραγματικά από πλάσμα, ενώ το άλλο 40 τοις εκατό είναι στερεά (π.χ. ερυθρά αιμοσφαίρια), μπορείτε να υπολογίσετε πόσο αίμα έχετε στο σώμα σας με βάση το βάρος.

Ένα άτομο 70 κιλών (154 λίβρες) έχει περίπου (0,60) (70) = 42 κιλά νερό στο σώμα του. Το ένα τρίτο θα ήταν εξωκυτταρικό υγρό, περίπου 14 kg. Το ένα τέταρτο αυτού θα ήταν πλάσμα αίματος - 3,5 κιλά. Αυτό σημαίνει ότι η συνολική ποσότητα αίματος στο σώμα αυτού του ατόμου ζυγίζει περίπου (3,5 kg / 0,6) = 5,8 kg.