В физике флюид — это жидкость , газ или другой материал, который может непрерывно двигаться и деформироваться ( течь ) под действием приложенного напряжения сдвига или внешней силы. [1] Они имеют нулевой модуль сдвига или, проще говоря, являются веществами , которые не могут противостоять никакой приложенной к ним силе сдвига .
Хотя термин «жидкость» обычно включает как жидкую, так и газовую фазы, его определение различается в разных отраслях науки . Определения твердого тела также различаются, и в зависимости от области некоторые вещества могут обладать как жидкими, так и твердыми свойствами. [2] Неньютоновские жидкости, такие как Silly Putty, по-видимому, ведут себя подобно твердому телу при внезапном приложении силы. [3] Вещества с очень высокой вязкостью, такие как смола, по-видимому , также ведут себя как твердое тело (см. эксперимент с падением смолы). В физике элементарных частиц эта концепция расширена и включает в себя жидкие вещества, отличные от жидкостей или газов. [4] Жидкость в медицине или биологии относится к любому жидкому компоненту тела ( жидкость тела ), [5] [6] тогда как «жидкость» не используется в этом смысле. Иногда жидкости, вводимые для замены жидкости , либо путем питья, либо путем инъекции, также называются жидкостями [7] (например, «пить много жидкости»). В гидравлике жидкость — это термин , который относится к жидкостям с определенными свойствами и шире, чем (гидравлические) масла. [8]
Жидкости обладают такими свойствами, как:
Эти свойства обычно являются функцией их неспособности выдерживать напряжение сдвига в статическом равновесии . Напротив, твердые тела реагируют на сдвиг либо пружинообразной восстанавливающей силой — что означает, что деформации обратимы — либо им требуется определенное начальное напряжение, прежде чем они деформируются (см. пластичность ).
Твёрдые тела реагируют восстанавливающими силами как на касательные напряжения, так и на нормальные напряжения , как сжимающие , так и растягивающие . Напротив, идеальные жидкости реагируют восстанавливающими силами только на нормальные напряжения, называемые давлением : жидкости могут подвергаться как сжимающему напряжению, соответствующему положительному давлению, так и растягивающему напряжению, соответствующему отрицательному давлению . Твёрдые тела и жидкости имеют предел прочности на разрыв, превышение которого в твёрдых телах создаёт необратимую деформацию и разрушение, а в жидкостях вызывает возникновение кавитации .
И твердые тела, и жидкости имеют свободные поверхности, на формирование которых затрачивается некоторое количество свободной энергии . В случае твердых тел количество свободной энергии, необходимое для образования заданной единицы площади поверхности, называется поверхностной энергией , тогда как для жидкостей та же величина называется поверхностным натяжением . В ответ на поверхностное натяжение способность жидкостей течь приводит к поведению, отличному от поведения твердых тел, хотя в равновесии обе 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 касательное напряжение является функцией деформации , но в жидкости касательное напряжение является функцией скорости деформации . Следствием такого поведения является закон Паскаля , который описывает роль давления в характеристике состояния жидкости.
Поведение жидкостей можно описать с помощью уравнений Навье–Стокса — системы уравнений в частных производных , которые основаны на:
Изучением жидкостей занимается механика жидкости , которая в зависимости от того, находится ли жидкость в движении, подразделяется на гидродинамику и гидростатику .
В зависимости от соотношения между напряжением сдвига и скоростью деформации и ее производными жидкости можно охарактеризовать следующим образом:
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 текучая среда — это жидкость (обычно масло)