В физике жидкость — это жидкость , газ или другой материал, который может непрерывно перемещаться и деформироваться ( течь ) под действием приложенного напряжения сдвига или внешней силы. [1] Они имеют нулевой модуль сдвига или, проще говоря, представляют собой вещества , которые не могут противостоять никакой силе сдвига, приложенной к ним.
Хотя термин « жидкость» обычно включает как жидкую, так и газовую фазы, его определение варьируется в зависимости от отрасли науки . Определения твердого тела также различаются, и в зависимости от области некоторые вещества могут иметь как жидкие, так и твердые свойства. [2] Неньютоновские жидкости, такие как Silly Putty , ведут себя подобно твердым телам при внезапном приложении силы. [3] Вещества с очень высокой вязкостью , такие как пек , также ведут себя как твердые тела (см. эксперимент с падением пека ). В физике элементарных частиц это понятие расширяется и включает в себя жидкие вещества , отличные от жидкостей и газов. [4] Жидкость в медицине или биологии относится к любой жидкой составляющей организма ( жидкости организма ), [5] [6] тогда как «жидкость» не используется в этом смысле. Иногда жидкости, вводимые для восполнения жидкости путем питья или инъекций, также называются жидкостями [7] (например, «пейте много жидкости»). В гидравлике жидкость — это термин, который относится к жидкостям с определенными свойствами и является более широким, чем (гидравлические) масла. [8]
Жидкости проявляют такие свойства, как:
Эти свойства обычно являются функцией их неспособности выдерживать напряжение сдвига в статическом равновесии . Напротив, твердые тела реагируют на сдвиг либо пружинящей восстанавливающей силой (это означает, что деформации обратимы), либо им требуется определенное начальное напряжение , прежде чем они деформируются (см. Пластичность ).
Твердые тела реагируют восстанавливающими силами как на касательные напряжения, так и на нормальные напряжения , как сжимающие , так и растягивающие . Напротив, идеальные жидкости реагируют только восстанавливающими силами на нормальные напряжения, называемые давлением : жидкости могут подвергаться как сжимающему напряжению, соответствующему положительному давлению, так и растягивающему напряжению, соответствующему отрицательному давлению . Как твердые тела, так и жидкости имеют предел прочности на разрыв, превышение которого в твердых телах приводит к необратимой деформации и разрушению, а в жидкостях приводит к возникновению кавитации .
И твердые тела, и жидкости имеют свободные поверхности, на образование которых требуется определенное количество свободной энергии . В случае твердых тел количество свободной энергии, необходимое для образования данной единицы площади поверхности, называется поверхностной энергией , тогда как для жидкостей та же самая величина называется поверхностным натяжением . В ответ на поверхностное натяжение способность жидкостей течь приводит к поведению, отличному от поведения твердых тел, хотя в равновесии оба имеют тенденцию минимизировать свою поверхностную энергию : жидкости имеют тенденцию образовывать округлые капли , тогда как чистые твердые тела имеют тенденцию образовывать кристаллы . Газы , не имеющие свободных поверхностей, свободно диффундируют .
В твердом теле напряжение сдвига является функцией деформации , а в жидкости напряжение сдвига является функцией скорости деформации . Следствием такого поведения является закон Паскаля , который описывает роль давления в характеристике состояния жидкости.
Поведение жидкостей можно описать уравнениями Навье – Стокса — набором уравнений в частных производных , основанных на:
Изучением жидкостей занимается механика жидкости , которая подразделяется на динамику жидкости и статику жидкости в зависимости от того, находится ли жидкость в движении.
В зависимости от связи между напряжением сдвига и скоростью деформации и ее производными жидкости можно охарактеризовать как одну из следующих характеристик:
Ньютоновские жидкости подчиняются закону вязкости Ньютона и могут быть названы вязкими жидкостями .
Жидкости можно классифицировать по их сжимаемости:
Ньютоновские и несжимаемые жидкости на самом деле не существуют, но предполагаются для теоретического расчета. Виртуальные жидкости, которые полностью игнорируют эффекты вязкости и сжимаемости, называются идеальными жидкостями .
В гидравлике жидкость представляет собой жидкость (обычно масло).