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科普知识(27)——你真的了解流体和固体的区别吗?


admin| 更新时间:2022-05-01 19:29|点击数:未知

在我们的生活中,流体是一种很常见的物质。无论是我们饮用的水或者现在正在呼吸的空气,都可以被归于流体的范畴。

但是仅仅停留在这一认识上是不够的,我们现在要以一种更为科学的方式去了解这一物质。

比如当别人问我们流体是什么的时候,我们不能仅仅回答它们是可以流动的物质,这样子的定义不但不科学,而且不好装逼。

流体有如下定义,它在力学特征上是一种受任何微小剪切力作用,且只要这一力持续,则都能连续变形的物质。

这一点主要有两点需要解释,首先是剪切力,其次是连续变形。

剪切力是使材料的横截面沿该力的作用方向发生相对错动的一对力。这一对力是方向相反,大小相等且距离很近的力。

当然接下来还是要以一种更为通俗的方式来进行解释。大家可以看到在下图中有这样一个立方体。当我们沿着箭头方向去推动这个立方体的上侧时,就对这个立方体产生了剪切力作用。

因为这个立方体上侧所移动的距离,一定会比它下侧所移动的距离更大。尽管因为它的变形小到肉眼看不见,但这是肯定会发生的现象。

这样一个位移的不同,自然就会导致立方体的上下层沿着横截面发生错动。

当然这个时候可能会有人有疑惑,既然说剪切力是一对力,那么另外一个力在哪里呢?

其实另外一个力就是地面上的摩擦力。它与我们的推力是大小相等,方向相反,且距离比较近的力。当然如果这个两个力相距比较远,又会产生别的效果,但这就不是我们今天讨论的重点了。

同样的情况,如果假设这一个方块都是由水组成,又会怎么样呢?当然这里并不是指在一个方块中装满了水,而是整个方块都是由水组成的。

我知道这个时候可能又会有一些问题产生,那就是如何使水变成这样一个形状。毕竟如果没有载体的话,水在重力作用下无论如何也是不可能变成这样的。所以这边指的实际上是在没有重力的情况下。

在这个时候,水同样也受到剪切力的作用。

但是很明显的是水的表现和前面固体的表现不一样。首先,只要在这个力作用下,水就会不断的发生变形。

当然有些人也会说,那么在同样的情况下,固体也会不断发生变形啊?

这里大家实际上可以考虑一下,如果推动的力没有发生变化,那么固体的变形实际上是停止的。换句话说固体的变形只有在这一力施加到上面的那一瞬间发生。

比如说我们现在用一定的力按住我们的桌子,我们当然知道,现在桌子发生了轻微的变形。但是我们保持这一力度,桌子的变形并不会加深,否则你的手指就摁进去了。除非你的力不断变大,才可以使这样一个变形不断深入。

但是水就不一样,我们保持恒定的一个力,可以使水不断的发生变形。大家随便找一盆水就可以把手指头戳进去,就是这样一个道理。

当然,除此以外还有别的特点。如果我们固体的变形是非常微小的话,那么在我们的力松开以后,固体会恢复原样。我想我们每个人都捏过可乐瓶,如果可乐瓶的变形比较小的话,那么在我们松开手以后,可乐瓶会弹回原来的形状。

但是再看一下我们的水,如果它在外力的作用下发生了形变,无论这个形变多么微小,都是不可逆的。

当然也有人提出,把手指轻微的摁一下水面以后再撤开,水面又会恢复原样。那这个现象是否可以推翻刚刚的理论。答案当然是否定的,因为水面恢复原样,实际上是受到了重力的作用。

这个情况就是完全不一样了,需要注意水不是自己恢复原样的。不过这里还是再需要补充一下,如果固体的形变过大,那也是没有办法自我恢复原样的,同样也需要外力介入。

至此,我们其实也就基本上了解了固体和流体之间的差别……

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