流体的性质-《通识物理》分享

液体和气体都具有流动性，统称为“流体”。流体一般由大量的、不断地做热运动而且无固定平衡位置的分子构成，流体各部分之间很容易发生相对运动，流体的基本特征是：“没有固定的形状并且具有流动性。”也正是因为液体和气体都具有流动性，它们在物理性质上表现出很多相似之处，例如，它们与处于其内部的物体之间的相互作用可以用相同的力学规律来描述，它们在外力作用下具有相似的运动规律等。而在我们的现实生活中，水和空气就是最具有代表性、同时也是最常见的流体。

由于流体的分子间距相对较大，所以实际流体除了具有共同的特性，即流动性外，通常还具有一定的“可压缩性”和“黏性”。

流体的可压缩性是指“流体的形状和体积会在外力作用下轻易发生变化”。比如，我们可以向自行车的车胎中不断地打入空气（图5.1），在车胎胶皮的巨大压力下，空气分子被紧紧地压在一起，分子间距也比自然状态时小很多，压缩空气会通过反作用力撑起车胎。也正是因为空气的可压缩性，车胎里能装下比自然状态下体积大很多的空气。如果我们在气体压缩过程中再降低环境的温度，则还可以进一步缩小气体分子间的距离，并最终得到液体形式存在的液氧、液氮等。

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图5.1　实际流体的可压缩性

流体的黏性是“一种阻碍相邻流层流动的作用”，可以通俗地理解为流层间的“内摩擦作用”。流体的黏性会使流体各部位的运动状态产生差异，比如：自然界中的河水就具有黏性，靠近底部和岸边的薄层河水由于固体的阻碍而流速近似为零，这层近似静止的薄流层会通过层间的“内摩擦作用”（也就是黏性作用）使邻近流层减速，并由此“从下往上、从外向内”形成流速逐渐增加的梯度分布。也正是因为这个原因，河道靠近底部和岸边的河水流速总是较慢，而河面尤其是河中央位置处的河水流速最快，这都是河水黏性作用的结果。类似的例子还有调咖啡，为了使咖啡充分溶解，我们通常需要用一把勺子画圈搅动，可以看到：杯子边缘的咖啡流动较慢，而中间的咖啡则快速流动，甚至能形成“漩涡”。这个例子很好地说明了：在液体的黏性作用下，液体内部的流动会有不同快慢的梯度分布。