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, по-видимому , 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 дифференциальных 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).