Современная авиация была бы невозможна без аэродинамического анализа, основанного на фундаментальных принципах механики жидкостей. Хотя «жидкость» часто является синонимом «жидкости» в разговорной речи, научная концепция жидкости применима как к газам, так и к жидкостям. Определяющей характеристикой жидкостей является их тенденция течь - или, говоря техническим языком, непрерывно деформироваться - под нагрузкой. Понятие давления тесно связано с важными характеристиками текущей жидкости.
Сила давления
Техническое определение давления - сила на единицу площади. Давление может быть более значимым, чем связанные величины, такие как масса или сила, потому что практические последствия различных сценариев часто зависят в первую очередь от давления. Например, если вы приложите кончиком пальца к огурцу легкую нисходящую силу, ничего не произойдет. Если вы приложите ту же силу лезвием острого ножа, вы разрежете огурец. Сила такая же, но край лезвия имеет гораздо меньшую площадь поверхности, и поэтому сила на единицу площади - другими словами, давление - намного выше.
Текущие силы
Давление применяется как к жидкостям, так и к твердым объектам. Вы можете понять давление жидкости, визуализировав воду, текущую по шлангу. Движущаяся жидкость оказывает силу на внутренние стенки шланга, и давление жидкости эквивалентно этой силе, деленной на площадь внутренней поверхности шланга в данной точке.
Ограниченная энергия
Если давление равно силе, разделенной на площадь, давление также равно силе, умноженной на расстояние, деленной на площадь, умноженную на расстояние: FD / AD = P. Площадь, умноженная на расстояние, эквивалентна объему, а умножение на силу, умноженную на расстояние, - это формула для работы, которая в этой ситуации эквивалентна энергии. Таким образом, давление текучей среды также можно определить как плотность энергии: общую энергию текучей среды, деленную на объем, в котором текучая среда течет. Для упрощенного случая жидкости, которая не меняет высоту при движении, полная энергия является суммой энергии давления и кинетической энергии движущихся молекул жидкости.
Сохраненная энергия
Фундаментальная взаимосвязь между давлением и скоростью жидкости зафиксирована в уравнении Бернулли, в котором говорится, что полная энергия движущейся жидкости сохраняется. Другими словами, сумма энергии давления и кинетической энергии остается постоянной даже при изменении объема потока. Применяя уравнение Бернулли, вы можете продемонстрировать, что давление на самом деле уменьшается, когда жидкость проходит через сужение. Полная энергия до сужения и во время сужения должна быть одинаковой. В соответствии с законом сохранения массы скорость жидкости в суженном объеме должна увеличиваться, и, таким образом, кинетическая энергия также увеличивается. Полная энергия не может измениться, поэтому давление должно уменьшаться, чтобы уравновесить увеличение кинетической энергии.