論流體壓力形式的統(tǒng)一性和內(nèi)涵多樣化

聶千越 聶千翔

(⒈ 青島西海岸新區(qū)第一高級(jí)中學(xué) 266555；⒉ 山東省日照第一中學(xué)(東校) 276826)

物理學(xué)習(xí)中要面對(duì)許多復(fù)雜的公式推導(dǎo)與數(shù)值計(jì)算，難免讓人產(chǎn)生難懂之感.實(shí)際上，物理學(xué)是充滿美感的，統(tǒng)一美便是其美感的一個(gè)典型特征.“窺一斑而知全豹”，本文以重力場(chǎng)靜止流體和直線勻加速運(yùn)動(dòng)相對(duì)靜止流體為研究對(duì)象，研究流體壓力的分布的一般規(guī)律，探討流體壓力形式的統(tǒng)一性和物理參數(shù)內(nèi)涵的多樣化.

一、重力場(chǎng)靜止流體的壓力

重力場(chǎng)是典型的質(zhì)量力場(chǎng)，地球上的一切物質(zhì)都處于重力場(chǎng)中.工程中的許多問(wèn)題，諸如液體容器的受力、船舶浮力和浮力矩設(shè)計(jì)、液壓機(jī)械的受力等，都與重力場(chǎng)中靜止液體的力學(xué)行為有關(guān).

圖1 重力場(chǎng)的靜止液體

重力場(chǎng)靜止流體單位質(zhì)量力f=g.對(duì)于圖1所示的坐標(biāo)系統(tǒng)，單位質(zhì)量力的分量表達(dá)形式為

靜力學(xué)全微分方程為

dp=ρ(fxdx+fydy+fzdz)

(2)

將式(1)代入式(2)中，得到重力場(chǎng)靜止流體的壓力微分方程，即

dp=-ρgdz

(3)

對(duì)于不可壓縮流體，ρ為常數(shù)，自由液面承受外界大氣壓p0，所以邊界條件為p|>z=0=p0，對(duì)式(3)進(jìn)行積分，可得

p=p0-ρgz

(4)

若用距離自由液面的深度h替代-z，壓力則有更一般的表達(dá)形式

p=p0+ρgh

(5)

二、直線勻加速運(yùn)動(dòng)相對(duì)靜止流體的壓力

根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，質(zhì)量為m的物體以加速度a運(yùn)動(dòng)時(shí)要受到與加速度反方向的慣性力作用，慣性力為-ma，并且慣性力與物體所受其他外力構(gòu)成平衡力系.因此，對(duì)于重力場(chǎng)中以加速度a運(yùn)動(dòng)的流體，其單位質(zhì)量力為

圖2 直線勻加速運(yùn)動(dòng)容器

f=-a+g

(6)

圖2所示容器以等加速度a沿升角β的斜面做直線運(yùn)動(dòng).設(shè)液體密度為ρ，自由液面的壓力為p0，液體所受的

單位質(zhì)量力為

fx=-ax+gx=-(gsinβ+a)

fy=-ay+gy=-gcosβ

fz=-az+gz=0

(7)

將式(7)代入式(2)中，可得容器中相對(duì)靜止流體的壓力全微分方程為

dp=-ρ(gsinβ+a)dx-ρgcosβdy

(8)

考慮邊界條件p|>x=0,y=0=p0，對(duì)式(8)積分，可得

p=p0-ρ(gsinβ+a)x-ρgcosβy

對(duì)于式(8)，若令dp=0，積分可得自由液面方程，即

將式(10)代入式(9)中，可得

p=p0+ρg(y0-y)cosβ

(11)

由圖2可知(y0-y)cosβ為研究點(diǎn)距離自由液面的豎直深度h，若令(y0-y)cosβ=h，則式(11)亦可寫(xiě)成

p=p0+ρgh

(12)

通過(guò)計(jì)算和適當(dāng)?shù)淖儞Q，重力場(chǎng)靜止流體和直線勻加速運(yùn)動(dòng)相對(duì)靜止流體的壓力均可表達(dá)為p=p0+ρgh，但p0和h在不同場(chǎng)合其物理含義也有所不同.p0是自由液面的壓力，也就是外界的大氣壓力.深度h均指研究點(diǎn)到自由液面的豎直距離，但表達(dá)形式不同，具體公式文中已列出.