科学家是怎么研究流体的?两大假设你知道吗?
对于现实生活中流体的研究,实际上是比较困难的,所以我们需要对流体做出许多假设。
那么本文就将介绍流体力学中最重要的两个假设。
首先是连续介质假设。
我们知道流体都是由一个个分子所组成的,比如水就是由一个个水分子所组成。从这个角度看起来,流体不是连续的,因为分子之间存在着间隙。
那么如果我们要对流体进行研究,就必须要对流体中的每一个分子都进行研究。
这当然是可行的,但是会消耗太多的运算资源,不值得如此去做。
由此就有了连续介质假设,这一理论是采用流体质点作为流体的一个研究对象。
所谓流体质点是一个宏观上无穷小,而微观上无穷大的模型。
在这里,我们以水作为例子,弱水三千,我们只取一瓢饮。那么这所谓的一瓢水相对于弱水三千而言,自然是非常小的。
实际上的流体质点,仅仅只是一个非常小的流体微团而已,它的体积远远小于1毫升。所以它相对于我们自然生活中所可以碰到的水而言,完全可以说是微不足道的。这就是我们把流体质点作为一个微观上无穷小的物质的原因。
流体质点虽然非常小,但是在其中的水分子就更加小了。所以哪怕是这么微小的一个流体质点,其内部也含有大量的水分子。因为这一流体质点中蕴含有数量极其巨大的水分子,所以可以称其为是微观上无穷大的。
这边可以总结一下,无穷小和无穷大是根据不同对象而言的。正如我们相对于蚂蚁而言是非常庞大的,但是我们相对于恒星而言又是极其渺小的。
宏观指的就是我们在生活中遇到的流体,从它们的角度来看,流体质点是非常微小的。微观指的是流体分子,从它们的角度来看,流体质点又是无穷大的。
有了流体质点以后,我们接下来只要去研究流体质点就可以了。所以流体质点的产生大大减少了我们的运算量。
而且流体从流体质点的角度来看是连续的,这样许多表征流体宏观特性的物理量也就是连续的了。
当然,如果我们确实想要研究流体中一个分子的运动情况,那也是可以的。
只不过在大部分情况下,我们需要了解的是流体各个物理量的统计平均值。这句话的意思是我们不想知道一个分子具体是怎么运动的,我们需要知道的是整个流体是怎么运动的。
在这种情况下,使用流体质点就完全足够了。
但是有的时候这一假设也是不成立的,比如在流体比较稀薄的时候。
我们知道在空气中含有水分子的,但是水分子的含量相对而言比较少。所以如果我们截取某一体积的空气,把这一部分作为一个流体质点来研究水的运动情况,那是绝对不行的。因为这样一个流体质点中所含有的水分子太少了,所以它不可以被视为是微观上无穷大的。
换句话说,在比较稀薄的流体当中,是没有办法应用流体连续介质假设的。
接下来我们再来看一下壁面无滑移。我们知道,在一根管子中,流体是流过这样一根管子的。那么这就带来一个问题,在管子壁面处的流体是否是向前运动的呢?
答案是否定的,在壁面处的流体是完全静止的,而且在壁面附近流体的速度也是小于平均速度的。
目前而言,大家可以认为是壁面把流体给拖住了。就像你在向前跑的时候,有人拽住你一样,壁面也会拉住流体分子。当然在后续的学习中,我们会了解到边界层的概念,这就比较复杂了。