1

REFERAT FIZICA : STATICA FLUIDELOR

 -Fluidele

   Se obisnuieste sa se clasifice substantele din punct de vedere macroscopic, in solide si fluide. Un fluid este o substanta care curge. Prin urmare, termenul de fluid include lichidele si gazele. Astfel de clasificari nu sunt intotdeauna exacte. Unele fluide cum este rasina sau smoala, curg asa de incet incat ele se comporta ca solide in intervale de timp in care lucram cu ele. Plasma, care reprezinta un gaz puternic ionizat, nu se potriveste in nici una din aceste categorii; ea se numeste adesea " a patra stare a materiei " pentru a o distinge de starea solida, lichida sau gazoasa. Chiar diferenta dintre un lichid si un gaz nu este distincta deoarece, variind presiunea si temperatura in mod convenabil, este posibil de a transforma un lichid ( de exemplu apa ) in gaz ( de exemplu vapori ) fara aparitia vreunui menisc si fara a-l fierbe; densitatea si vascozitatea variaza in mod continuu in timpul procesului. Pentru a face aceasta trebuie folosite presiuni mai inalte decat asa-numita preaiune critica; pentru apa, aceasta fiind de 218 atmosfere.

Prin urmare, aceleasi legi fundamentale controleaza comportarea din statica si dinamica atat a lichidelor cat si a gazelor in ciuda diferentelor dintre ele pe care le observam la presiuni obisnuite.

   Pentru solide care au dimensiuni si forme bine definite, am formulat mecanica corpurilor rigide, modificata prin legile elasticitatii pentru corpurile care nu pot fi considerate perfect rigide. Deoarece fluidele isi schimba forma in mod continuu si in cazul gazelor au un volum egal cu cel al vasului in care sunt cuprinse, trebuie dezvoltate noi metode de rezolvare a problemelor in mecanica fluidelor. Aplicatiile mecanicii la medii continue, atat solide cat si fluide, se bazeaza pe legile miscarii lui Newton combinate cu legi convenabile ale fortei. Pentru fluide, ca si pentru solide dealtfel, este convenabil sa dezvoltam formulari speciale ale acestor legi fundamentale.

-Presiunea si densitatea

   Exista o diferenta in modul in care o forta de suprafata actioneaza asupra unui fluid si asupra unui solid. Pentru un solid nu exista restrictii privind directia unei astfel de forte, dar pentru un fluid in repaus forta de suprafata trebuie sa fie totdeauna indreptata perpendicular pe suprafata. Aceasta deoarece un fluid in repaus nu poate sustine o forta tangentiala; paturile de fluid ar aluneca pur si simplu unele peste altele daca ar fi supuse unei astfel de forte. In adevar, incapacitatea fluidelor de a  rezista la asemenea forte tangentiale ( sau eforturi de forfecare sau alunecare ) este aceea care le confera capacitatea lor caracteristica de a-si schimba forma sau de a curge.

   De aceea este convenabil sa descriem forta care actioneaza asupra unui fluid specificand presiunea p, care este definita ca intensitatea fortei normale pe unitatea de suprafata. Presiunea se transmite catre frontierele solide sau prin sectiuni arbritare ale fluidului, perpendicular pe aceste frontiere sau sectiuni in fiecare punct. Presiunea este o marime scalara si poate varia de la punct la punct pe suprafata.

   Densitatea ( Ro ) a unui fluid omogen ( masa impartita la volum ) poate depinde de mai multi factori, cum sunt temperatura si presiunea la care el este supus. Pentru lichide densitatea variaza foarte putin pe intervale largi de presiune si temperatura si o putem trata ca o constanta. Densitatea unui gaz, insa, este foarte sensibila la variatii de temperatura si presiune.

Variatia presiunii intr-un fluid in repaus

   Daca un fluid este in echilibru, fiecare portiune de fluid este in echilibru. Pentru lichide, densitatea este practic constanta, deoarece lichidele sunt aproape incompresibile; si diferentele de nivel sunt rar atat de mari incat sa fie nevoie sa consideram variatia lui g. Pentru gaze densitatea este relativ mica si diferenta de presiune intre doua puncte este de obicei neglijabila. Astfel, intr-un vas continand un gaz, presiunea poate fi considerata peste tot aceeasi. Presiunea aerului variaza mult daca ne ridicam la inaltimi mari in atmosfera. In adevar, in astfel de cazuri, densitatea variaza cu altitudinea si Ro trebuie cunoscut ca o functie de y pentru a putea integra ecuatia. Deoarece lichidele sunt aproape incompresibile, straturile inferioare nu sunt comprimate sensibil de catre greutatea straturilor superioare suprapuse peste acestea si densitatea Ro este practic constanta la toate nivelele. Pentru gaze la temperatura uniforma densitatea Ro a unui strat este proportionala cu presiune p din acel strat. Variatia presiunii cu distanta deasupra fundului unui fluid, este una pentru gaz si alta pentru lichid.

-Principiul lui Pascal si principiul lui Arhimede

   Ecuatia p = po + Ro g h arata ca in aceste conditii, variatia de presiune delta p in fiecare punct arbitrar P este egala cu delta po. Acest rezultat a fost formulat de catre savantul francez Blaise Pascal ( 1623 - 1662 ) si se numeste " principiul lui Pascal ". El este formulat de obicei astfel : Presiunea aplicata unui fluid inchis se transmite cu aceeasi intensitate pana la fiecare portiune de fluid si pana la peretii vasului respectiv. Acest rezultat este o consecinta necesara a legilor mecanicii fluidelor si de fapt nu un principiu independent.

   Desi noi presupunem adesea ca lichidele sunt incompresibile, ele sunt de fapt usor compresibile. Aceasta inseamna ca o variatie a presiunii aplicata unei portiuni de lichid se propaga prin lichid ca o unda cu viteza sunetului din acel lichid. Dupa ce perturbatia s-a stins si echilibrul s-a restabilit se gaseste ca principiul lui Pascal este valabil. Principiul este valabil si pentru gaze cu usoare complicatii de interpretare produse de variatiile mari de volum care pot avea loc atunci cand variaza presiunea exercitata asupra gazului comprimat.

   Principiul lui Arhimede este de asemenea o consecinta necesara a legilor staticii fluidelor. Daca un corp este cufundat in intregime sau partial intr-un fluid ( fie lichid, fie gaz ) in repaus, fluidul exercita o presiune pe toate partile suprafetei corpului in contact cu fluidul. Rezultanta tuturor fortelor este o forta indreptata in sus numita " forta arhimedica ". Fluidul va suferii presiunile care au actionat asupra corpului cufundat si va fi in repaus. Prin urmare, forta rezultanta in sus asupra lui va fi egala cu greutatea sa si va actiona vertical in sus in centrul sau de greutate. De aici rezulta " principiul lui Arhimede " si anume faptul ca un corp cufundat in intregime sau partial intr-un fluid este impins de jos in sus cu o forta egala cu greutatea fluidului dislocuit de corp, punctul corespunzator din corpul cufundat ( centrul de greutate ) numindu-se " centru de presiune ". 

-Masurarea presiunii

   Evangelista Torricelli ( 1608 - 1647 ) a propus o metoda de masurare a presiunii atmosferice prin inventarea barometrului cu mercur in anul 1643. Barometrul cu mercur este un tub lung de sticla care a fost umplut cu mercur si apoi rasturnat intr-o cuva cu mercur. Sa determinat astfel foarte usor ca presiunea atmosferica este po = Ro g h. Presiunea reala intr-un punct intr-un fluid se numeste "presiune absoluta ". Presiunea relativa ( manometrica ) se da fie peste, fie sub presiunea atmosferica.

Un manometru care masoara presiuni sub presiunea atmosferica se numeste de obicei manometru de vid. Presiunea atmosferica intr-un punct descreste cu altitudinea. Exista variatii ale presiunii atmosferice de la o zi la alta, deoarece atmosfera nu este statica. Coloana de mercur din barometru va avea o inaltime de aproximativ 76 cm de mercur la 0 grade Celsius, in camp gravitational normal

( standard ), gn = 9,80665 metrii pe secunda la patrat, se numeste " o atmosfera " ( 1 atm ).

   Semnificatia principala a acestor experiente din acel timp era conceptia pe care o afirmau ca poate fi creat un spatiu vid. Timp de doua mii de ani, filozofii vorbeau de oroarea pe care natura o are pentru spatiul vid : horror vacui. Datorita acestei orori se spunea ca natura previne formarea unui vid apucand orice substanta invecinata si umpland cu ea instantaneu orice spatiu vidat. Experientele lui Torricelli si Pascal au aratat ca exista limitari in capacitatea naturii de a prevenii un vid.

   Cu exceptia telescopului, nici o alta descoperire stiintifica din secolul al XVII-lea nu a trezit curiozitatea si dorinta de cunoastere in asa masura cum au facut-o experientele cu barometrul si cu pompa de aer.