解析流动--画说流体力学/画说力学系列

作者简介

博士，北京航空航天大学讲师，作为核心成员参加多项自然科学基金、航空基金、重点实验室基金，以及来自总装，陆航，海航等部门的项目，以及211和985工程建设和重点实验室建设等。在国内外期刊发表研究论文十余篇并获得多项专利。出版教材一本。 公众号叫【我所理解的流体力学】

内容简介

1.流体是能流动的物质 流体是液体和气体的统 称，指那些易于流动的物质 ，是区别于固体的物质。但 这个定义不太明确。什么样 才是易于流动呢？貌似对于 金匠来说，金子也易于流动 ，那金子可不可以算作流体 呢？可见，要正确理解流体 和固体的区别，首先要理解 什么是流动，流动是指不断 变形的运动，变形则指物体 的形状发生了变化。 流动是一种不断地发生 角变形的运动。水装在矿泉 水瓶里的时候，我们是不能 判断它是液体还是固体的， 当我们想把水倒出来的时候 ，能流出来的是水，流不出 来的是冰。也就是说，判断 一种物质是不是流体，不是 从它的成分判断的，而是根 据它受力时的运动状态。固 体可以放在桌子上保持静止 ，而流体就必须装在容器中 才行。原因是只有装在容器 中，才能使流体不受剪切力 作用。流体的内部只要存在 剪切力，就不可能处于静止 状态，而是会不断地发生角 变形运动，也就是流动。所 以，我们可以给流体下一个 严格的定义：在任意小的剪 切力作用下，都会发生连续 不断的角变形的物质。 金匠打造金首饰的时候 ，利用的确实是金子的流动 性，或称为延展性。但常温 的金子当然不是流体，因为 必须对金子施加足够大的力 才能让它变形。把金块放在 桌子上，无论过多少年都不 会流成一摊，因为金子本身 的弹性力足够抵抗重力而保 持静止，所以它不是流体。 有人说，流体是没有固 定形状的东西，严格来说不 是这样的。我们日常生活中 感觉流体有没有固定的形状 ，是跟我们所处的环境有关 的。在地球表面上，物体都 受到重力和大气压的作用。 重力会在液体内产生剪切力 使其流动，所以才没法保持 固定的形状。气体则会融入 环境中的其他气体，不但没 有固定形状，还无法保持一 个整体。物体的自然形状应 该是在不受外力的情况下定 义的。例如，馒头的形状是 半球形，但如果被踩在脚下 就不是了。流体比馒头还娇 气，应该放在完全不受力的 环境去研究它的形状。 在外太空的真空并且无 重力的环境中，物体是基本 不受力的。现在，我们把一 杯20℃的水放在外太空的环 境中，让杯子突然消失，水 会变成什么形状呢？我们应 该能猜出是球形，因为水有 表面张力。不单是水，所有 液体都应该是球形的，可以 说球形就是液体的天然形状 。少量的液体保持球形主要 是表面张力的作用，大量的 液体保持球形则还有万有引 力的作用。大的恒星、行星 和卫星都是球形的，这是因 为当质量足够大时，万有引 力很大，超出了固体的承受 能力，使固体也表现出流体 的特征了。不过且慢，如果 真的把一杯水放在外太空。 失去压力的水会沸腾。水蒸 气不断逃逸，最后剩下的水 会冻成冰，这就不完全是我 们流体力学研究的内容了。 如果把气体放在外太空 会怎样呢？显然，气体会以 极快的速度消散在宇宙空间 ，就是爆炸，到最后什么都 不会剩下。除非气体量特别 大，到了万有引力可以和气 体本身的压力平衡的程度， 气体也会形成球形。例如， 木星就是这样的一团气体。 当万有引力不明显时，气体 显然是没有形状的。我们甚 至可以说，气体在不受力时 根本就不存在。我们日常所 遇到的对气体性质的描述， 都是指在有环境压力约束下 的气体。观察液体的自然形 状 虽然在地球上，液体不 可避免地会受到重力的影响 ，但我们还是可以创设一个 模拟零重力的场景，来观察 液体的自然形状。方法就是 让一种液体处于另一种密度 相同的液体中，利用浮力来 消除重力的影响。所需物品 和材料： 大玻璃杯（或透明塑料 杯）1个，可放人大玻璃杯 中的小酒杯1个（半两左右 的白酒杯最好），小勺（或 滴管）1个，无水酒精或医 用酒精（或用65°以上的白 酒代替）1大杯，橄榄油（ 或其他食用油）1小杯，纯 净水1瓶。 步骤： 1.在大玻璃杯中装入大 半杯酒精，小酒杯中装人满 杯橄榄油； 2.把装满橄榄油的小酒 杯慢慢沉人大玻璃杯底部， 因为橄榄油的密度比酒精的 密度大，这时橄榄油保持在 小酒杯中； 3.用小勺或滴管缓缓地 把纯净水加入到大玻璃杯中 ，每加入一勺要稍微搅拌并 等一小段时间让酒精和水混 合均匀； 4.可以看到小酒杯中的 橄榄油表面逐渐凸起，当加 入水量合适后，橄榄油从小 酒杯中浮起，在大玻璃杯酒 精溶液中央形成球形。 小贴士： 1.加水要缓慢，如果水 加得过快来不及和酒精混合 均匀，可能会导致酒精和水 的溶液密度大于橄榄油密度 而使油浮出液面。 2.所选的白酒密度必须 小于油的密度，普通白酒是 不行的。 3.如果没有小酒杯，也 可以直接将橄榄油倒入大玻 璃杯中，这样的缺点是橄榄 油会破碎成很多滴，效果不 好。 P2-5 对于大多数学生来说，流体力学或许是他们曾经上过的倍感迷茫且很受挫折的一门课程了。很多有关流体力学基础的书甚至成为了“流体力学劝退指南”，或被冠以了“流体力学，从入门到‘入土’”的称谓。 而《画说流体力学》这本书，则抛开了复杂的公式枷锁，采用绘图的形式把课本里涉及的相关知识画出来，通过直线下降的难度来提升学生们的自信心。 作者王洪伟是北航具有多年一线教学经验的流体力学老师，在给本科生和研究生讲了多年流体力学之后，写了一本得到诸多读者认可的非典型教材，并且还抽空做制作了关于流体力学基础知识的视频课程，而写作本书的目的，则是帮助更多的学生能够原地精通流体力学。