流体静力平衡及其状态

关键的外卖

• 研究流体的压力和流体对浸入物施加的压力的分支被称为流体静力学。

• 在空气中，出现一种压力梯度力与重力平衡的状态，称为流体静力平衡状态。

• 当浮力中心和重心在同一点时，如果重量和浮力相等且相反，则平衡状态为中性。

压力随深度增加而增加

剪切应力压力是流体应用中的两个重要参数。流体静力学是研究流体中的压力或流体施加的压力，这对于理解静止流体的特性至关重要。在流体静力学中，流体静力平衡是外力如重力和压力之间的平衡状态。在这篇文章中，我们将探讨垂直压力梯度和流体静力平衡。

垂直压力梯度

压力是单位的力。在流体中，底部的压力等于上面流体柱的重量。流体压力随高度而减小。考虑一个空气柱和一个薄的水平薄片。施加在底部的压力大于来自顶部的压力。当我们垂直向上移动时，气柱中有一个压力梯度。向上作用在气柱薄片上的合力是由压力梯度引起的，可由式表示:

A是空气柱的水平横截面积，P是底部和顶部的压差。

流体静力学平衡

如前所述，作用在气柱薄片上的力可由式1计算。

力由下式给出:

G是重力加速度，m是质量。

气柱的质量可以由:

为空气密度，A为空气切片面积，z为切片厚度。

在空气中，压力梯度力与重力平衡的条件上升;这种状态被称为流体静力平衡状态。使用公式1、3和4，静水平衡可以用数学表示为:

流体静力平衡描述了流体中向上的压力和向下的重力之间的平衡。在流体静力条件下，流体中的力平衡是静止的。通常，在数学表达式中加入一个负号来表示压力随高度的下降。

流体静力平衡与浮力

浮体或沉体在流体中的稳定性是基于流体静力平衡条件的。当一个物体完全或部分淹没在液体中时，静水压力被施加在与液体接触的物体的所有表面上。物体两侧的力大小相等，方向相反，通常相互抵消。当压力随深度增加时，被淹没物体底面的静水力大于顶部的静水力。未被抵消的流体静力将物体向下推。这种不相等的力导致作用在物体上的向上的流体静力，称为浮力。

在流体静力平衡条件下，只有两个力作用在物体上:

1. 重力重量

2. 浮力

在水静力平衡中，重量和浮力相等而相反。

水下物体的三种平衡状态

对于水下物体的平衡条件，物体的重量应等于浮力。根据重心与浮力中心的相对位置不同，平衡状态为:

• 稳定平衡:重量和浮力相等相反。在这种情况下，如果浮力中心在重心上方，则处于稳定的平衡状态。

• 不稳定平衡:不稳定平衡的条件为:

  1. 重心要在浮力中心的上方。

  2. 重量和浮力应该相等且相反。

• 中性平衡:当浮力中心和重心在同一点时，如果重量和浮力相等且相反，则平衡状态为中性。

当处理流体和浸入或漂浮在流体中的物体时，流体静力平衡是重要的。通过分析作用在流体上的流体静力和压力，可以克服或平衡设计难题。Cadence的CFD工具套件可以帮助您分析流体与水下物体的相互作用。

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