静止流体中,压力与方向无关
在平静的水里挑出一个点。把从四面八方压在这个点上的压力画成箭头:上面、下面、两侧都在压。拖动箭头来旋转方向。奇怪的是,无论往哪个方向转,每个箭头都一样长。在静止的流体里,挤压一个点的压力大小与方向无关。固体会因为推的方向不同而抵抗不同,静止的流体却不会。这一个性质,就是流体力学的起点。潜水员的耳朵四面八方一样发闷,水珠收成圆圆的一颗,都从这里来。
先感受一下汇集在一个点上的压力。每一支箭头都是压在这个点上的压力。拖动 θ,被强调的方向就转一圈。可无论怎么转,所有箭头都一样长。长度就是压力的大小,而改变方向并不改变它。为什么?静止的流体没法只朝一个方向使更大的劲。要是某个方向更强,流体早就往那边流走了。停着不流,就意味着每个方向都恰好平衡。
把刚才看到的平衡,用一个小楔块来证明。我们从流体里切出一片很小的三角形。三个面上,压力都笔直地垂直压进来:竖面是 px,底面是 py,斜面是 pn。拖动 θ 倾斜楔块。各个面的面积都在变,可三个压力始终相等。秘密在于力的平衡。斜面受到的力是压力乘面积,它的水平分量与竖面的力相配,垂直分量与底面的力相配。几何把面积放大多少,角度就削掉多少,最后 px = py = pn。这就是帕斯卡原理的根。
那么压力到底是什么?是垂直压在一个面上的力,除以这个面的面积。p = FA。形式和应力一样,但流体压力有两个特别之处。第一,它总是垂直于面去压。第二,它总是在推,从不拉。拖动 A。力 F 不变,可面一变宽,压力就下降、转蓝;一变窄,压力就上升、转红。同样的力挤到一个小面上,压力就飙起来。图钉尖容易扎进去,宽宽的滑雪板不陷进雪里,都靠这个除法。
现在把前面几样捆成一个。放一个过这个点的小平面,用 φ 去转它。无论转到哪个角度,这个面受到的压力 p 读出来都完全一样。转动这个面而读数不变,就说明压力没有方向。力是有方向的向量,而压力是没有方向的标量。所以压力写成一个数,而不是一支箭头。只有当你指明它作用在哪个面上,这个数才变成力:乘上面积,再配上面的法线方向。压力本身,只是这个点的一种状态而已。
这一个事实,藏在我们周围处处。选气球。里面的空气对外皮每一个点都等量、垂直地推,气球就鼓成圆的。潜艇呢?深水对圆圆的外壳每一处都垂直、等量地压,所以圆形横截面最能扛住压力。把一个扁箱子沉下去也一样。哪怕壁是平的,在那面壁的每一点,压力也垂直于面作用。无论什么形状,流体都对它接触的每个面垂直地推,在同一个点上各个方向大小相同。这就是接下来的故事,随深度变化的压力和浮力,所立足的根基。