איך לחץ קשור לזרימת נוזלים?

תעופה מודרנית תהיה בלתי אפשרית ללא ניתוח אווירודינמי המבוסס על העקרונות הבסיסיים של מכניקת נוזלים. אף על פי ש"נוזל "הוא לרוב שם נרדף ל"נוזל" בשפת השיחה, המושג המדעי של נוזל חל גם על גזים וגם על נוזלים. המאפיין המגדיר של נוזלים הוא הנטייה לזרום - או, בשפה הטכנית, להתעוות ברציפות - תחת לחץ. מושג הלחץ קשור קשר הדוק למאפיינים החשובים של נוזל זורם.

ההגדרה הטכנית של לחץ היא כוח ליחידת שטח. לחץ יכול להיות משמעותי יותר מכמויות קשורות, כגון מסה או כוח, מכיוון שהתוצאות המעשיות של תרחישים שונים תלויות לרוב בעיקר בלחץ. לדוגמה, אם אתה משתמש בקצה האצבעות שלך כדי להפעיל כוח מלפפון קל כלפי מטה, שום דבר לא קורה. אם אתה מפעיל את אותו כוח עם להב של סכין חדה, אתה חותך דרך המלפפון. הכוח זהה אך לקצה הלהב יש שטח פנים קטן בהרבה, ולכן הכוח ליחידת שטח - במילים אחרות, הלחץ - גבוה בהרבה.

לחץ חל גם על נוזלים וגם על עצמים מוצקים. אתה יכול להבין את הלחץ של נוזל על ידי הדמיית מים שזורמים דרך צינור. הנוזל הנע מפעיל כוח על דפנות הצינור הפנימיים, ולחץ הנוזל שקול לכוח זה המחולק לשטח הפנים הפנימי של הצינור בנקודה מסוימת.

אם לחץ שווה כוח מחולק לפי אזור, לחץ שווה גם כוח פעמים מרחק חלקי אזור פעמים מרחק: FD / AD = P. מרחק כפול מרחק שווה לנפח, וכוח כפול מרחק הוא הנוסחה לעבודה, שבמצב זה שווה ערך לאנרגיה. לפיכך, ניתן להגדיר את לחץ הנוזל גם כצפיפות אנרגיה: האנרגיה הכוללת של הנוזל חלקי הנפח בו הנוזל זורם. במקרה הפשוט של נוזל שאינו משנה גובה בזמן שהוא זורם, האנרגיה הכוללת היא סכום האנרגיה של הלחץ והאנרגיה הקינטית של מולקולות הנוזל הנעות.

הקשר הבסיסי בין לחץ למהירות הנוזל נתפס במשוואת ברנולי, הקובעת כי האנרגיה הכוללת של נוזל נע נשמרת. במילים אחרות, סכום האנרגיה הנובע מלחץ ואנרגיה קינטית נשאר קבוע גם כאשר נפח הזרימה משתנה. על ידי יישום משוואת ברנולי, תוכל להוכיח כי הלחץ למעשה יורד כאשר הנוזל עובר דרך היצרות. האנרגיה הכוללת לפני ההיצרות ובמהלך ההיצרות חייבת להיות זהה. בהתאם לשימור המסה, מהירות הנוזל חייבת לעלות בנפח המכווץ, וכך גם האנרגיה הקינטית עולה. האנרגיה הכוללת לא יכולה להשתנות, ולכן הלחץ חייב לרדת כדי לאזן את העלייה באנרגיה הקינטית.