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流体力学

压力由深度决定,与形状无关

静水压 p = ρgh,与形状和多少无关,只由深度决定(佯谬),斜率 ρg

这里有一些形状各异的容器:又细又高的、上面大大张开的、下面鼓起来的。用按钮切换容器,只要把水加到同样的高度,底部的压力计就指向同样的值,尽管装的水量明显不同。决定压力的不是水有多少,而是这个点在水面以下有多深。这叫静水压佯谬。看着奇怪,但它自然地从上一讲的事实,一点的压力与方向无关,推出来。现在把深度往下拖,你会看到压力随深度成正比地长大。

把容器形状一个个换过来。上面张开的容器装的水多得多,细的容器装得少。可底部压力计三个都一样。怎么会这样?底部的压力并不是只感受正上方那一柱水,在同样的深度,它还从四面八方等量地受到侧向的推力。宽容器里向两侧铺开的水的重量,由倾斜的壁代为承担。所以底部剩下的,只有深度所决定的压力。水的多少、容器的宽窄,都不相干。

这次抓住一个点,把深度 h 往下拖。越深,压力越笔直地长大。深度翻倍,压力正好翻倍,不弯曲,就是一条直线的正比。水面正下方几乎是 0,往下走就以恒定的比率一层层叠加。这条笔直的正比关系就是静水压的核心:它意味着你不必背表,只要知道深度就能直接读出压力。

为什么偏偏与深度成正比?想想这个点上方那柱水的重量。截面积为 A、高为 h 的水柱,体积是 A 乘 h,重量等于密度乘重力加速度乘体积,也就是 ρ g A h。这个重量压在底面积 A 上,所以压力是重量除以面积。可上下的 A 约分掉了,剩下的是 p = ρ g h。因为面积消失了,容器是粗是细都没关系。拖动 h,看水柱长高时重量和压力一起变大。

公式里除了深度还有一个:密度 ρ。同样的深度,越重的液体压力长得越快。拖动密度,从油到水到海水,看压力随深度上升的斜率变陡。这个斜率正是 ρ g。海水比淡水压得稍硬一点,水银在同样深度压得是水的 13.6 倍。这就是老式气压计用水银而不用水的原因:水柱要 10 米高,水银只要 76 厘米就够了。

现在下到海里。潜水员越往下,深度 h 越大,身体受到的水压也以 ρ g h 增大。一个好记的估算:水中每下降约 10 米,压力就加上约 1 个大气压。水面上空气已经压着 1 个大气压,所以 10 米处合起来约 2 个大气压,20 米处约 3 个。耳朵发闷就是因为这个。大坝越往底越厚,潜艇有下潜极限,都因为这个深度压力。拖动 h 让潜水员下潜,看压力怎样累积。

实际应用总结一下:静止流体中一点的压力,由深度决定,而不是形状或多少。p = ρ g h,其中密度 ρ、重力加速度 g、水面以下深度 h。压力与深度成正比,这条直线的斜率是 ρ g。不同形状的容器在同样深度给出同样的压力,这就是静水压佯谬;它的根源是上方水柱的截面积约分掉了。估算上,水中每 10 米约 1 个大气压。这通常是表压,绝对压力还要加上大气压约 101 kPa。下一讲,我们顺着这个深度压力产生的向上的力,接到浮力上去。
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