Vilka är egenskaperna hos vätska?

Om någon bad dig att definiera ”vätska” kanske du börjar med din vardagliga erfarenhet av saker du vet som kvalificerar sig som vätskor och försöker generalisera därifrån. Vatten är naturligtvis den viktigaste och mest förekommande vätskan på jorden; en sak som skiljer den åt är att den inte har någon bestämd form, utan den överensstämmer med formen på vad den än innehåller, vare sig detta är en fingerborg eller en massiv fördjupning på planeten. Du associerar förmodligen ”vätska” med ”flytande”, till exempel en flodström eller smält is som rinner längs sidan av en sten.

Denna ”Du vet en vätska när du ser en”-idén har dock sina gränser. Vatten är helt klart en vätska, liksom läsk. Men vad sägs om en milkshake, som breder ut sig över vilken yta den hälls på, men långsammare än vatten eller läsk. Och om en milkshake är en vätska, vad sägs då om glass som precis håller på att smälta? Eller själva glassen? Som det händer har fysiker hjälpsamt tagit fram formella definitioner av en vätska, tillsammans med de andra två materiantillstånden.

Materia kan existera i ett av tre tillstånd: Som ett fast ämne, en vätska eller en gas. Du kanske ser människor som använder ”vätska” och ”vätska” omväxlande i vardagligt språk, som ”Drick mycket vätska när du tränar i varmt väder” och ”Det är viktigt att konsumera mycket vätska när du springer ett maraton.” Men formellt utgör materiens flytande tillstånd och materiens gastillstånd tillsammans vätskor. En vätska är allt som saknar förmågan att motstå deformation. Även om inte alla vätskor är vätskor, gäller de fysiska ekvationerna som styr vätskor universellt för vätskor såväl som på gaser. Därför kan alla matematiska problem som du ombeds lösa som involverar vätskor lösas genom att använda ekvationerna som styr vätskedynamik och kinetik.

Fasta ämnen, vätskor och gaser är gjorda av mikroskopiska partiklar, vars beteende bestämmer materiens resulterande tillstånd. I ett fast ämne är partiklar tätt packade, vanligtvis i ett regelbundet mönster; dessa partiklar vibrerar, eller ”jigglar”, men rör sig i allmänhet inte från plats till plats. I en gas är partiklar väl separerade och har inget regelbundet arrangemang; de vibrerar och rör sig fritt med avsevärda hastigheter. Partiklar i en vätska ligger nära varandra, men inte lika tätt packade som i fasta ämnen. Dessa partiklar har inget regelbundet arrangemang och liknar gaser snarare än fasta ämnen i detta avseende. Partiklarna vibrerar, rör sig och glider förbi varandra.

Både gaser och vätskor antar formen av vilka behållare de än upptar, en egenskap som fasta ämnen inte har. Gaser, eftersom de normalt har så mycket utrymme mellan partiklar, komprimeras lätt av mekaniska krafter. Vätskor komprimeras inte lätt, och fasta ämnen komprimeras fortfarande mindre lätt. Både gaser och vätskor, vilka som nämnts ovan tillsammans kallas vätskor, flyter lätt; fasta ämnen gör det inte.

Vilka egenskaper har vätskor?

För det första har vätskor kinematiska egenskaper, eller egenskaper relaterade till vätskerörelse, såsom hastighet och acceleration. Fasta ämnen har naturligtvis sådana egenskaper också, men ekvationerna som används för att beskriva dem är olika. För det andra har vätskor termodynamiska egenskaper som beskriver det termodynamiska tillståndet för en vätska. Dessa inkluderar:

• temperatur
• tryck
• densitet
• inre energi
• specifik entropi
• specifik entalpi
• andra

Endast ett fåtal av dessa kommer att beskrivas här. Slutligen har vätskor ett antal olika egenskaper som inte faller inom någon av de två andra kategorierna (t.ex. viskositet, ett mått på en vätskas friktion, ytspänning och ångtryck).

Vad är olika typer av vätskor?

De två vätskorna av stort intresse i den verkliga världen är vatten och luft. Vanliga typer av vätskor förutom vatten inkluderar olja, bensin, fotogen, lösningsmedel och drycker. Många av de vanligare vätskorna, inklusive bränslen och lösningsmedel, är giftiga, brandfarliga eller på annat sätt farliga, vilket gör dem farliga att ha i hemmet eftersom om barn får tag i dem, kan de förväxla dem med dricksvatten och konsumera dem, vilket leder till allvarliga hälsonödsituationer.

Människokroppen och in Faktum är att nästan allt liv är övervägande vatten. Blod anses inte vara en vätska, eftersom de fasta ämnena i blodet inte är jämnt fördelade genom eller helt upplösta i det. Istället betraktas det som en avstängning. Plasmakomponenten i blod kan betraktas som en vätska för de flesta ändamål. Oavsett vilket är vätskeunderhåll avgörande för vardagen. I de flesta situationer tänker folk inte på hur kritiska dricksvätskor är för att överleva, eftersom det i den moderna världen är sällsynt att man inte har tillgång till rent vatten.

Men människor hamnar rutinmässigt i fysiska problem som ett resultat av alltför stora vätskeförluster under sporttävlingar som maraton, fotbollsmatcher och triathlon, även om några av dessa evenemang innehåller bokstavligen dussintals hjälpstationer som erbjuder vatten, sportdrycker och energigeler (vilket kan vara anses vara vätskor). Det är en evolutionens kuriosa att så många människor lyckas bli uttorkade trots att de vanligtvis vet hur mycket de måste dricka för att uppnå toppprestationer eller åtminstone undvika att hamna i läkartältet.

Vätskeflöde

En del av vätskors fysik har beskrivits, förmodligen tillräckligt så att du kan hålla dig i ett grundläggande vetenskapligt samtal om flytande egenskaper. Det är dock inom området vätskeflöde som saker och ting blir särskilt intressanta.

Flödesmekanik är grenen av fysiken som studerar vätskors dynamiska egenskaper. I det här avsnittet, på grund av vikten av luft och andra gaser inom flygteknik och andra tekniska områden, kan ”vätska” hänvisa till antingen en vätska eller en gas – vilket ämne som helst som ändrar form enhetligt som svar på yttre krafter. Vätskors rörelse kan karakteriseras av differentialekvationer, som härrör från kalkyl. Vätskors rörelse, liksom rörelsen av fasta ämnen, överför massa, momentum (massa gånger hastighet) och energi (kraft multiplicerad med avstånd) i flödet. Dessutom kan vätskors rörelse beskrivas med konserveringsekvationer, såsom Navier-Stokes ekvationer.

Enkel där vätskor rör sig som fasta ämnen inte gör är att de uppvisar skjuvning. Detta är en följd av beredskapen med vilken vätskor kan deformeras. Skjuvning avser differentiella rörelser inom en vätskekropp som ett resultat av appliceringen av asymmetriska krafter. Ett exempel är en vattenkanal, som uppvisar virvlar och andra lokala rörelser även när vattnet som helhet rör sig genom kanalen med en fast hastighet i termer av volym per tidsenhet. Skjuvspänningen τ (den grekiska bokstaven tau) för en vätska är lika med hastighetsgradienten (du/dy) multiplicerad med den dynamiska viskositeten μ; det vill säga τ = μ(du/dy).

Övrig begrepp relaterade till vätskerörelser inkluderar drag och lyft, som båda är avgörande inom flygteknik. Drag är en motståndskraft som finns i två former: ytmotstånd, som verkar på bara ytan av en kropp som rör sig genom vatten (t.ex. huden på en simmare), och bildar motstånd, som har att göra med den övergripande formen på kroppen rör sig genom vätskan. Denna kraft är skriven:

F

D

= CDρA(v2/2)

Där C är en konstant som beror på typen av föremål som upplever motstånd, ρ är densitet, A är tvärsnittsarea och v är hastighet. På liknande sätt beskrivs lyft, som är en nettokraft som verkar vinkelrätt mot en vätskas rörelseriktning, med uttrycket:

FL