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身邊的流動--流體力學

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資料介紹

什么是流體力學？　

　　以上舉的例子，都是我們身邊的流動現(xiàn)象。那么，什么叫做流體力學？

　　流體力學是研究流體介質(zhì)的對流、擴散，以及相伴的物理、化學、生物過程，導致質(zhì)量、動量、能量輸送的現(xiàn)象。

　　物質(zhì)有四態(tài)，包括固體以及流體的三態(tài)——液態(tài)、氣態(tài)和等離子體。隨著溫度升高、壓力降低，可以從固態(tài)到液態(tài)，再從液態(tài)到氣態(tài)，氣態(tài)再到等離子體。等離子體是宏觀中性的電離氣體，美麗的極光就是等離子體。

　　流體跟固體的區(qū)別很清楚，但又不是絕對的，有種現(xiàn)象叫做流變行為，這是一種亦流亦固的現(xiàn)象。舉個例子，如果在一個靜止容器中有一種黏彈性流體，當它發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，就會沿著中間的旋轉(zhuǎn)棒往上爬升。如果是純流體的話，不可能發(fā)生爬竿效應，這種黏彈性流體之所以能夠爬上來，是因為它具有的固體能夠保持一定的形狀緣故。流變現(xiàn)象有時還與時間尺度有關。比如冰川，短時間不會變形，但在十年、百年、千年的時間尺度上，冰川肯定是在流動的。

　　流體當中的最重要的現(xiàn)象就是對流。對流分兩種情況：強迫對流和自然對流。強迫對流是靠外力來直接驅(qū)動的，例如：水泵、風機、河水、風生環(huán)流；自然對流沒有外驅(qū)動力，是因密度差間接由重力而引起的流動，譬如燒水時，輕的流體在下面，重的流體在上面，就會發(fā)生上下翻滾的對流運動。在海洋當中，由于鹽度和溫度的不同，也會造成對流，我們把它叫做熱鹽環(huán)流。

　　流體的第二種現(xiàn)象是擴散，指兩個相鄰的、溫度不一樣或濃度不一樣的流體團間的能量、質(zhì)量、動量交換。一般情況下有兩種流動狀態(tài)：一種是非常有規(guī)則的層流，它的流線非常明顯，不同層間的能量、物質(zhì)、動量等都可以交換，主要靠我們看不見的分子無規(guī)運動。熱量的傳輸會從高溫到低溫，濃度高的會向濃度低的物質(zhì)傳輸，分子擴散相對比較慢一點。第二種是湍流擴散。坐過飛機的朋友都知道，經(jīng)常有顛簸，是因為外面有湍流運動。它是流體團無規(guī)運動，而不只是分子的無規(guī)運動。一個分子、一個分子地交換比較慢，而攜帶帶著能量、質(zhì)量、動量的流體團間的交換要快得多，所以，湍流擴散可以是分子擴散的幾百倍、上千倍。湍流交換有利有弊，一方面加快了燃料混合和污染物的擴散，另一方面，又增加了阻力。所以我們要充分利用這些特點來為人類服務。

　　流動當中還有兩種現(xiàn)象，一個叫做渦，一個叫做波。熱帶氣旋就是漩渦，今年美國的龍卷風很厲害，造成的人員傷亡嚴重；至于波動現(xiàn)象，是擾動在介質(zhì)中的傳播，如：海洋當中的風浪，是人們看不見的內(nèi)波。在超聲速流動中會有激波現(xiàn)象出現(xiàn)。　　