Le domaine physique de la statique des fluides

La statique des fluides est le domaine de la physique qui implique l'étude des fluides au repos. Parce que ces fluides ne sont pas en mouvement, cela signifie qu'ils ont atteint un état d'équilibre stable, donc la statique des fluides consiste en grande partie à comprendre ces conditions d'équilibre des fluides. Lorsque vous vous concentrez sur les fluides incompressibles (tels que les liquides) par opposition aux fluides compressibles (tels que la plupart des des gaz), il est parfois appelé hydrostatique.

Un fluide au repos ne subit aucune contrainte pure et ne subit que l'influence de la force normale du fluide environnant (et des parois, s'il se trouve dans un récipient), qui est le pression. (Plus d'informations à ce sujet ci-dessous.) Cette forme de condition d'équilibre d'un fluide serait un condition hydrostatique.

Les fluides qui ne sont pas dans un état hydrostatique ou au repos, et qui sont donc en quelque sorte en mouvement, relèvent de l'autre domaine de la mécanique des fluides, dynamique des fluides.

Considérez une coupe transversale d'un fluide. On dit qu'il subit une contrainte pure s'il connaît une contrainte coplanaire ou une contrainte qui pointe dans une direction à l'intérieur du plan. Un tel stress, dans un liquide, provoquera un mouvement dans le liquide. La contrainte normale, d'autre part, est une poussée dans cette zone de section transversale. Si la zone est contre un mur, comme le côté d'un bécher, la section transversale du liquide exercera une force contre le mur (perpendiculaire à la section transversale - par conséquent, ne pas coplanaire). Le liquide exerce une force contre le mur et le mur exerce une force en arrière, il y a donc une force nette et donc aucun changement de mouvement.

Le concept d'une force normale peut être familier dès le début de l'étude de la physique, car il apparaît beaucoup dans le travail et l'analyse diagrammes à corps libre. Lorsque quelque chose est toujours assis sur le sol, il pousse vers le sol avec une force égale à son poids. Le sol, à son tour, exerce une force normale sur le fond de l'objet. Il subit la force normale, mais la force normale n'entraîne aucun mouvement.

Une force pure serait si quelqu'un poussait l'objet sur le côté, ce qui ferait bouger l'objet si longtemps qu'il pourrait surmonter la résistance au frottement. Une force coplanaire dans un liquide, cependant, ne sera pas sujette au frottement, car il n'y a pas de frottement entre les molécules d'un fluide. Cela fait partie de ce qui en fait un fluide plutôt que deux solides.

Mais, dites-vous, cela ne signifierait-il pas que la section transversale est repoussée dans le reste du fluide? Et cela ne veut-il pas dire que ça bouge?

Ceci est un excellent point. Ce ruban de fluide en coupe transversale est repoussé dans le reste du liquide, mais lorsqu'il le fait, le reste du fluide repousse. Si le fluide est incompressible, cette poussée ne va rien déplacer nulle part. Le fluide va repousser et tout restera immobile. (Si compressible, il y a d'autres considérations, mais restons simples pour l'instant.)

Toutes ces minuscules coupes transversales de liquide poussant les unes contre les autres et contre les parois du récipient, représentent de petits morceaux de force, et toute cette force se traduit par une autre propriété physique importante du fluide: le pression.

Au lieu de sections transversales, considérez le fluide divisé en minuscules cubes. Chaque côté du cube est poussé par le liquide environnant (ou la surface du récipient, le long du bord) et tous ces éléments sont des contraintes normales contre ces côtés. Le fluide incompressible dans le minuscule cube ne peut pas se comprimer (c'est ce que signifie "incompressible", après tout), donc il n'y a pas de changement de pression à l'intérieur de ces minuscules cubes. La force qui s'exerce sur l'un de ces minuscules cubes sera une force normale qui annulera précisément les forces des surfaces de cube adjacentes.

Cette annulation des forces dans diverses directions est l'une des découvertes clés en relation avec la pression hydrostatique, connue sous le nom de loi de Pascal d'après le brillant physicien et mathématicien français Blaise Pascal (1623-1662). Cela signifie que la pression en tout point est la même dans toutes les directions horizontales, et donc que le changement de pression entre deux points sera proportionnel à la différence de hauteur.

Un autre concept clé pour comprendre la statique des fluides est densité du fluide. Il figure dans l'équation de la loi de Pascal, et chaque fluide (ainsi que les solides et les gaz) ont des densités qui peuvent être déterminées expérimentalement. Voici une poignée de densités communes.

La densité est la masse par unité de volume. Pensez maintenant à divers liquides, tous divisés en ces minuscules cubes que j'ai mentionnés plus tôt. Si chaque petit cube est de la même taille, les différences de densité signifient que les petits cubes de densité différente auront une masse différente en eux. Un petit cube de densité plus élevée contiendra plus de "trucs" en lui qu'un petit cube de densité plus faible. Le cube de plus haute densité sera plus lourd que le petit cube de faible densité, et coulera donc en comparaison avec le petit cube de plus faible densité.

Donc, si vous mélangez deux fluides (ou même des non-fluides) ensemble, les parties les plus denses couleront et les parties les moins denses augmenteront. Cela est également évident dans le principe de flottabilité, cela explique comment le déplacement du liquide entraîne une force ascendante, si vous vous souvenez de votre Archimède. Si vous faites attention au mélange de deux fluides pendant qu'il se produit, comme lorsque vous mélangez de l'huile et de l'eau, il y aura beaucoup de mouvement de fluide, et cela serait couvert par dynamique des fluides.

Mais une fois que le fluide atteint l'équilibre, vous aurez des fluides de différentes densités qui se sont installés en couches, le fluide de plus haute densité formant la couche inférieure, jusqu'à ce que vous atteigniez le plus bas densité fluide sur la couche supérieure. Un exemple de cela est illustré sur le graphique de cette page, où les fluides de différents types se sont différenciés en couches stratifiées en fonction de leurs densités relatives.