Nowoczesne lotnictwo byłoby niemożliwe bez analizy aerodynamicznej opartej na podstawowych zasadach mechaniki płynów. Chociaż „płyn” jest często synonimem „cieczy” w języku potocznym, naukowa koncepcja płynu odnosi się zarówno do gazów, jak i cieczy. Charakterystyczną cechą płynów jest tendencja do płynięcia – lub, mówiąc językiem technicznym, do ciągłego odkształcania – pod wpływem stresu. Pojęcie ciśnienia jest ściśle związane z ważnymi właściwościami przepływającego płynu.
Siła nacisku
Techniczna definicja ciśnienia to siła na jednostkę powierzchni. Ciśnienie może mieć większe znaczenie niż powiązane wielkości, takie jak masa lub siła, ponieważ praktyczne konsekwencje różnych scenariuszy często zależą głównie od ciśnienia. Na przykład, jeśli użyjesz opuszka palca, aby delikatnie docisnąć ogórek, nic się nie dzieje. Jeśli zastosujesz tę samą siłę ostrzem ostrego noża, przetniesz ogórek. Siła jest taka sama, ale krawędź ostrza ma znacznie mniejszą powierzchnię, a zatem siła na jednostkę powierzchni – innymi słowy nacisk – jest znacznie wyższa.
Płynące siły
Ciśnienie dotyczy zarówno płynów, jak i ciał stałych. Możesz zrozumieć ciśnienie płynu, wizualizując wodę przepływającą przez wąż. Przemieszczający się płyn wywiera siłę na wewnętrzne ścianki węża, a ciśnienie płynu jest równoważne tej sile podzielonej przez wewnętrzną powierzchnię węża w danym punkcie.
Ograniczona energia
Jeśli ciśnienie jest równe sile podzielonej przez powierzchnię, ciśnienie jest również równe sile razy odległość podzielonej przez powierzchnię razy odległość: FD/AD=P. Powierzchnia razy odległość jest równoważna objętości, a siła razy odległość to wzór na pracę, która w tej sytuacji jest równoważna energii. Zatem ciśnienie płynu można również zdefiniować jako gęstość energii: całkowitą energię płynu podzieloną przez objętość, w której płyn płynie. W uproszczonym przypadku płynu, który nie zmienia wysokości podczas przepływu, energia całkowita jest sumą energii ciśnienia i energii kinetycznej poruszających się cząsteczek płynu.
Oszczędna energia
Fundamentalna zależność między ciśnieniem a prędkością płynu jest ujęta w równaniu Bernoulliego, które mówi, że całkowita energia poruszającego się płynu jest zachowana. Innymi słowy, suma energii wywołanej ciśnieniem i energii kinetycznej pozostaje stała, nawet gdy zmienia się objętość przepływu. Stosując równanie Bernoulliego, możesz wykazać, że ciśnienie faktycznie spada, gdy płyn przepływa przez zwężenie. Całkowita energia przed zwężeniem i podczas zwężenia musi być taka sama. Zgodnie z zasadą zachowania masy, prędkość płynu musi wzrastać w zwężonej objętości, a tym samym wzrasta również energia kinetyczna. Całkowita energia nie może się zmienić, więc ciśnienie musi się zmniejszyć, aby zrównoważyć wzrost energii kinetycznej.