Силы, действующие на текучее тело

 

Движение сплошной среды вызывают силы. Они могут быть внешними и внутренними.

Внешние силы возникают в результате взаимодействия рассматриваемого тела с другими телами. Такие силы вызывают или могут вызвать изменение количества движения и кинетической энергии выделенного объёма. Типичным примером внешней силы для объектов, находящихся вблизи поверхности Земли, является сила тяжести.

Внутренние силы возникают в результате взаимодействия элементов данного тела. Они не могут изменить количество движения этого объёма, так внутри него каждая внутренняя сила уравновешивается равной ей по модулю внутренней силой, имеющей противоположное направление. Вместе с тем работа внутренних сил может изменить кинетическую и (или) потенциальную энергию рассматриваемого объёма тела. Примерами внутренних сил являются сила давления, действующая на поверхность, построенную внутри выделенного объёма жидкости; сила трения между слоями движущейся жидкости.

Внешние и внутренние силы могут быть объёмными (массовыми) и поверхностными.

Величина объёмных (массовых) сил пропорциональна объёму (массе) жидкости или газа, на который они действуют. Характеристикой объёмной (массовой) силы является плотность распределения этой силы в пространстве. Это векторная величина , которая равна силе, действующей на единицу объёма (массы). Примером объёмной силы является сила тяжести. Плотность её распределения представляют в виде силы, приходящейся на единицу массы сплошной среды. Если принять оси х и у горизонтальными, а z направить вертикально вверх, то плотность распределения силы тяжести , где g = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения. При этом вес F_g объёма V равен

. (4.1.1)

 

Таким образом, вес тела направлен вниз, о чём свидетельствует знак минус, и равен rgV. Величина поверхностных сил пропорциональна площади поверхности, на которую они действуют. Примером такой силы является сила взаимодействия между двумя соприкасающимися слоями жидкости, которые движутся друг относительно друга.

Рис. 4.1. Напряжение в точке сплошной среды

Характеристикой поверхностной силы на заданной поверхности является плотность её распределения, которую при использовании модели сплошной среды называют напряжением. Напряжение - величина векторная.

Напряжение в данной точке фиксированной поверхности обычно проектируют на нормаль к ней и на касательную плоскость, при этом различают нормальные и касательные напряжения.

Физически поверхностные силы обусловлены силами ближнего взаимодействия молекул, расположенных по разные стороны от рассматриваемой поверхности, и переносом молекул сквозь эту поверхность в процессе их теплового движения.