流体压力这东西,说白了就是温室气体挤出来的劲儿,要么说是液体对容器壁和底部那种无形的“手”。你平时喝可乐,感觉瓶子底下硬邦邦的,抬头看瓶口,它又轻飘飘的,这就不是秤量出来的,是感觉出来的。咱们先聊聊最好办的情况:静止的流体。
那时候,压力值彻底由你选的高度拍板,高度高的地方压力大,高度低的地方压力小,这个关系叫静水压力,公式就是 $P = rho g h$。
不过,这玩意儿可绝对不是真就如此好办的,你要是真按这个公式去算海上几里的洋流,那比去南极听雪还荒谬,出于海洋里除了水压,还有风、还有洋流、还有温度,那些能改性别的,能改节奏的,随意一个变量都能把公式打残。 在真空中,流体压力归零,这点废话不多说,直接上干货。水在杯子里,杯底压力等于杯口压力加上“水柱的推力”。杯口没水的时候压力是零,杯底有水,假设水深一米,那压力就变成了一千帕左右,这相当于你正儿八经踩一脚水泥地。
要是水再深到十米,那压力就是一万一千帕,这就是啥“10 米水头”的概念,跟海拔高度没关系,跟水到底多深相关。
这时候要是杯子是斜着的,底面和侧面的受力面不一样,那压力值还会变化,但方向不变,还是垂直向下的,这就是帕斯卡原理的源头。 下面这个例子,我随意编的,看看能不能凑合算一下。 有个潜水员,他在深海里,深度是 110 米。水的密度取个 1000 kg/m³,重力加速度 9.8 m/s²。按公式算,$P = 1000 times 9.8 times 110 = 10,780$ 帕。
这还不算上周围水分子乱撞形成的混乱劲儿,也就是所谓的静水压力,实际上的表压大约在那上面,再加上大气压,那就是一个十几万帕的“压山大”。 再给你来个生活化的对比。一个人站在 10 米深的泳池里,他脚底受到的压力比站在地面时大了一倍多,那是出于他头顶多挂了 10 米的水。
要是你看《全面战争》里的某个地图,有时候会有水从城门上往下滴,滴下来的那滴水,瞬间就成了个 10 厘米深的水柱,压力直接翻倍,那感觉就像是突然被那一团水吞了肚子,别看水没流过来,但压力确实存有。 自然,流体压力可不只是是个好办的数学题。空气也是流体,空着的时候,压强是一样,那就是一个基准值,叫大气压,大约 101.3 千帕。
这时候你站在山腰,空气稀薄,那个压力就比海平面小。但要是你往山上走,比如爬到一个海拔 3000 米处,那里空气稀了,但高度高了,根据气体定律,别看密度变低了,但要是你把它当作液体来估算(别看它不是液体,但逻辑差不多),理论上的“空气柱推力”实际上会出于高度增添而变大,这时候压力就不是好办的线性下降了,出于密度本身也随高度指数级衰减了。
这时候要是在大山腰开一个洞,水面能比海平面低出几百米,压力才能平衡。 不过,水不是空气。水分子之间空隙小,压缩性简直为零。
这意味着,甭管你如何加压,水分子的位置简直不会变。
故此,只要高度不变,深度不变,压力就绝对不变。
这就是为啥潜水艇能下潜到马里亚纳海沟,出于那儿的水压是几十百万帕,但海水密度庞大,总重量依然庞大。 再说说工程上如何算。工程师们常用的是 psi(磅力每平方英寸)要么 bar(巴)。1 巴等于 100 千帕,等于 14.5 psi。地下施工时,一辆卡车压在地面上,地面对卡车底部的压力是多少?卡车有重量,故此地面对它有反功本事,但卡车本身在承受地面压力,这跟水施加的压力逻辑不同。水施加的是静压,卡车施加的是接触压强。 实际上,你想想,不管是水还是气,只要是流体,只要是静止的,那每个点上的压强,只取决于它在垂直方向上的位置,跟形状、大小、流速(只要没流动)都没关系。
这个叫静水压力。
要是水在跑,那就是动水压力,那就要寻思伯努利原理了,流速快的地方压力小,流速慢的地方压力大,这时候连深度都得重新寻思,出于流速变了,有效高度变了。 还有一种特殊情况,就是自由液面。
比如一个开口向上的容器,水面是平的,这时候液面处的压力等于大气压。
要是你用手指头堵住上面的口,把它按进水里,要是你再打开口子,水面会重新稳定在一个高度,这个高度形成的高度水压,正好抵消你手指头堵住时的压力,剩下的就是大气压了。
这时候总压力就是大气压加上那个高度形成的水压。 你还会认定怪,为啥深潜器要穿那么厚的耐压壳?出于压力是随深度增添而急剧上升的,并且那个上升的速率挺快。深 100 米,压力大约是 1 个大气压;再深 1000 米,压力就接近 10 个大气压;再深 10000 米,就直接压到 100 个大气压了。
这时候,结构强度就是关键。 最终说说热胀冷缩。水受热会膨胀,体积变大,这时候密度变小。根据 $P = rho g h$,密度小了,同样的高度,形成的压力就小了。
这也是为啥水在 4 摄氏度时最密集,故此最重,放在底部。早上刚冻完的河面上,冰层薄,故此冰下面的水压力比深冬时小,水排出来的速度也慢。 总而言之,流体压力这东西,是个挺“水心”又挺“心水”的玩意儿。它不受容器形状影响,只受深度和密度影响。
不懂这个原理,你也不敢往井里挖井,更不敢在深海中潜水探险,不然估摸你就是直接给海底压扁了。