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流体力学

静水压

静水压 p = ρgh,与形状和多少无关,只由深度决定(佯谬),斜率 ρg

这里有形状各不相同的桶。又窄又长的、上面张开的、下面鼓起的,用按钮换桶,把水灌到同样的高度,底部的压力计都指着同一个值。桶里的水量明明不同,却是这样。决定压力的不是水有多少,而是那一点离水面有多深,这叫做静水压佯谬。它从一点的压力与方向无关这件事里自然跟着出来。把深度往下拖,就看见压力随深度笔直地长。 同样高度的水面以同样的力气压底部。桶的轮廓插不进那个数。

一个一个换桶的形状,上面张开的桶装的水多得多,窄桶装得少,底部压力计三个都一样。怎么会这样?底部的压力不只感觉正上方那根水柱。同样的深度,从旁边压过来的力也从四面同样地接收。宽桶里向旁边铺开的水的重量,由倾斜的壁替它承受,所以留在底部的只有深度决定的压力。水的量、桶的宽度都无关。 壁承担旁边的重量,底部只承担深度。所以计的针聚到一处。

这次抓住一个点,把深度 h 往下拖,越深压力越笔直地长。进入两倍的深度,压力也恰好两倍,不弯,成一条直线。水面正下方几乎是 0,越往下按固定的比例一层层加上,这条笔直的比例就是静水压的核心。只要知道深度,就能直接读出压力。 直线的意思是,读出深度,压力就跟着来。没有表,一个深度就够。

为什么偏偏和深度成正比?想一想放在那一点上方的水柱的重量,答案就出来。截面 A、高度 h 的水柱,体积是 A 乘 h。重量是密度乘重力加速度乘体积,也就是 ρ g A h。这个重量压着底面积 A,压力是重量除以面积,上下的 A 约掉消失,剩下的是 p = ρ g h。面积消失了,桶粗还是细都无关,拖动 h,柱子长起来的时候重量和压力一起变大。 粗细被约掉之后,剩下的只有高度和密度。柱子变长,推也变长。

公式里除了深度还有一个,密度。同样的深度,越重的液体压力长得越快,把密度从油拖到水、再到海水,压力随深度上升的斜率就变陡。那个斜率就是 ρ g。海水比淡水压得稍重,水银在同样深度是水的 13.6 倍。旧气压计用水银而不用水,理由就是这个。水的话柱子要 10 米,水银 76 厘米就够。 更重的液体在同样深度做出更陡的斜率。水银用短柱就能撑住,理由就是这个。

现在进海里。潜水员越往下,深度 h 越大,身体受到的水压也按 ρ g h 变大。好记的估计是,在水里大约每下 10 米,压力就加上 1 个大气压。水面已经有空气压着 1 个大气压,所以 10 米处合计 2 个大气压,20 米处是 3 个大气压。耳朵发闷是因为这个,坝越往底部越厚、潜水器给深度设限,也都是这个深度压力。拖动 h 把潜水员送下去,就看见压力怎样叠起来。 越往下,水柱把身体抱得越紧。坝的厚度和耳朵的发闷指着同一条直线。

实际应用收起来说,静止流体里一个点的压力由深度决定,不是由形状或量决定。p = ρ g h,也就是密度、重力加速度 g、离水面的深度 h。压力和深度成正比,那条直线的斜率是 ρ g,桶的形状不同、同样深度压力相同,这就是静水压佯谬。根子是上方水柱的重量里截面被约掉消失。估计是水下每 10 米约 1 个大气压,这通常是表压,绝对压力是再加上大气压约 101 kPa。这个深度压力造出向上的力,也就是浮力。 深度相同,桶不同,底部也相同。浮力就是这个深度差变成向上的力。
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