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DS1号 · 自学教材系列 | 流体力学

第 2 章 流体静力学

流体不动(或整体匀速)时,它内部没有剪切、没有流动,只剩下一件事:压强。这一章研究「静止流体里的压强」——它是怎么分布的、为什么只和深度有关、帕斯卡原理和浮力到底从哪来,以及怎么算出流体压在墙上、水坝上的总力。

🎯 本章学习目标

  1. 理解静压强的两个基本特性(方向、大小),并知道它们从哪来。
  2. 从受力平衡推导出静力学基本方程 p = p₀ + ρgh,理解「压强只随深度变」的物理原因。
  3. 理解帕斯卡原理:密闭流体的压强如何「处处传递」。
  4. 掌握压强的测量方法(测压管、U 型管)与绝对压强/表压强/真空度的换算。
  5. 会求流体作用在平面和曲面上的总压力,理解压力体的含义,并推导出阿基米德浮力定律。

2.1静压强及其两个特性

静止流体里,没有相对运动,也就没有粘性切应力(因为 τ = μ(du/dy),而 du/dy = 0)。于是流体内部唯一的应力就是压强(压应力)。压强定义为「单位面积上受到的垂直压力」:

p = F / A

单位是帕斯卡 Pa(1 Pa = 1 N/m²)。静压强有两个非常关键的特性:

特性一:方向总是垂直于作用面,并指向作用面

为什么?用反证法。假设流体在某个面上的压强有一个「平行于面」的分量(切向分量),那这个切向力就会让流体沿面滑动——但流体是静止的,矛盾。所以静止流体的压强只能是垂直的。又因为流体不能承受拉力(它没有抗拉骨架),压强只能指向作用面(即压力),不能是「拉」。

特性二:同一点各方向的压强大小相等

这是关键性质:在流体的同一点,无论你取什么方向的面,压强的大小都一样(只是方向垂直于各自的面)。它也来自「静止」这个前提——如果各方向压强不等,取一个微小的楔形流体元,各方向的压力就合力不为零,流体会被推着动,矛盾。

核心结论 静止流体的压强是各向同性的:同一点上,压强只有大小、没有固定方向,对任何方向的面都垂直作用、大小相同。所以压强是个标量(一个数),而不是矢量。

记住这个结论,它简化了一切:压强只要说「某点压强多大」就够了,不用指定方向。

微元证明:各向同性是怎么「证」出来的

「各方向压强相等」不靠直觉,可以用一个楔形微元严格证出来。取一个顶角任意的小楔形,让它的两个直角面分别垂直于 x、y 轴,斜面与 x 轴成 α 角,厚度(垂直纸面)为 1。三个面上的压力分别为 px·dy、py·dx、pn·ds。静止,合力必须为零。沿 x 方向列平衡:

px·dy = pn·ds·sin α = pn·dy ⟹ px = pn

ds·sin α 恰好等于 dy,约掉即得 px = pn;同理沿 y 方向得 py = pn。楔形质量是三阶小量、重力是高阶小量,极限下不影响结论。于是任意方向的压强都等于坐标方向的压强——压强的「大小」与面的朝向彻底无关,各向同性得证。(重力项虽不影响「各向同性」,却决定压强随位置怎么变,这正是下一节的任务。)

📐 例题 1 水下同一点:朝向不同的面,受力各是多大?

湖水中深度 2 m 处取一点,过该点放三块小挡板:(a) 水平板、(b) 竖直板、(c) 倾角 45° 的斜板,面积均为 A = 0.05 m²。求每块板单面受到的水压力大小与方向,并画出指向。若汽车沉入 1 m 深的水下,车门(近似竖直平面,面积 A = 0.5 m²)中线深度约 1 m,推开它约需多大的力?

思路 静止流体中一点的压强只有一个值,由深度决定:p = ρgh;压力 = p·A,方向垂直指向板面。车门问题则用「平均压强 × 面积」估算(压强随深度线性分布,取中线深度即形心压强)。

解 p = 1000×9.8×2 = 19600 Pa ≈ 19.6 kPa。三块板所受压力大小同为 F = pA = 19600×0.05 = 980 N ≈ 0.98 kN,只是方向不同:水平板向上(下表面)或向下(上表面)、竖直板水平、斜板垂直于斜面——大小不变、方向各随其面。车门:pc = 1000×9.8×1 = 9800 Pa,F = 9800×0.5 = 4900 N,约半吨力。

答:三块板受力同为 0.98 kN,方向各垂直于自己的面;水下 1 m 的车门需约 4.9 kN 才能推开——相当于压着 500 kg 物体。 ⚠ 易错点:①「各向同性」说的是同一点的压强相同,不是「各个面上的力」相同——力还乘以各自的面积;②车门估算用形心压强,第 2.5 节会严格化。

工程应用:落水自救与「压强差」的威力 车辆落水后最初几十秒内,车内尚未大量进水,门外水深产生的压强把门死死顶住,普通人推不开——这就是例题里那半吨力。正确的处置是:趁车还没完全沉没先开窗或破窗(破侧窗四角而非前挡),等车内进水到内外水面接近、压强差消失后再开门。这条例题的真正考点是:静压强差只要存在,就会产生巨大的约束力;消灭压强差(内外水面齐平),力就消失。潜水员每下潜 10 m 增加约一个大气压,耳朵发疼就是压强差直接作用在鼓膜上的信号,需要捏鼻鼓气平衡中耳内外压强。

2.2静力学基本方程:压强随深度而变

现在回答核心问题:静止流体里,压强在空间里怎么分布?

从一个竖直液柱的受力平衡推导

在静止流体中取一个底面积为 A、高为 h 的竖直圆柱体(从自由液面往下数深度 h)。它受三方面的力:

圆柱体侧面受到的压力都是水平的、两两抵消。因为流体静止,竖直方向合力为零(向上为正):

p·A − p₀·A − ρg·A·h = 0

两边约去 A,整理得:

静力学基本方程 p = p₀ + ρgh(式中 h 为从自由液面向下的深度)

静止液柱的受力平衡 一个竖直液柱,上表面受p0向下的压力,下表面受p向上的压力,自身重力向下,三力平衡推出p=p0+ρgh。 自由液面 压强 p₀ h p₀A ↓ pA ↑ 重力 ρgAh ↓ pA − p₀A − ρgAh = 0 → p = p₀ + ρgh
图 2-1静止液柱的受力平衡:下表面压力 = 上表面压力 + 液柱重力,推出静力学基本方程。

这个公式的物理意义

它告诉我们三件重要的事:

用「高度水柱」来表示压强也很直观:因为 p = ρgh,一个压强等价于「多高的该流体柱产生的压强」。比如 1 个标准大气压(101325 Pa)约等于 10.3 米水柱、或约 760 毫米水银柱(这就是气压计用「毫米汞柱」的原因)。

微分形式:dp = −ρg·dz 与「等压面」

把「每下降一个薄层 dz,压强增加一层液体的重量」写成微分关系(z 轴向上):

dp = −ρg dz, 即 dp/dz = −ρg

负号说明 z 升高、p 降低。对不可压缩均质流体积分,立刻回到 p = p₀ + ρgh。微分形式的价值在于它对任意形状的容器都成立——容器弯弯曲曲没关系,压强只关心「自己在液面下方多深」,与水平位置无关、与容器形状无关。这一条「只认深度」的性质,是所有静压计算的第一钥匙。

由 dp = 0(等压面)立即得 dz = 0:静止重力流体中的等压面是水平面。反过来用要注意三个前提同时成立:①同一连续流体内部;②流体静止;③只有重力一种体积力。三个条件缺一不可——U 型管里不同液体之间「同一水平面」压强可以不同(s2.4 讲怎么穿过两种液体的界面找等压面);加速运动的容器里等压面会倾斜(第 2 章末思考题会再遇到)。

「找等压面」是静力学解题的通用套路:在同一根连通的液柱上,从已知点出发,凡同种液体、同一水平面处压强必相等;穿过不同液体的界面时,压强相等发生在「同一液体内部」——这句话是后面所有测压管、U 型管计算的全部秘密。

📐 例题 2 抽了真空的水箱:底部还低于大气压吗?

一封闭水箱液面上方抽真空,真空度 20 kPa;水深 2 m。求液面与箱底的绝对压强、表压强(当地大气压取 101.325 kPa)。

思路 真空度 = 大气压 − 绝对压强 → 先还原液面绝对压强;再用 p = p₀ + ρgh 下潜;最后统一换算表压。

解 液面:p₀,绝 = 101325 − 20000 = 81325 Pa ≈ 81.3 kPa。箱底:pb = p₀ + ρgh = 81325 + 1000×9.8×2 = 81325 + 19600 = 100925 Pa ≈ 100.9 kPa。表压:液面为 −20 kPa(即真空度 20 kPa);箱底为 100925 − 101325 = −400 Pa,真空度 0.4 kPa。

答:箱底绝对压强约 100.9 kPa,仍比大气压低 0.4 kPa——下潜 2 m「挣回」的压强刚好没填平 20 kPa 的真空(2 m 水柱只能提供 19.6 kPa)。 ⚠ 易错点:①绝对压强永远 ≥ 0,而表压可正可负、真空度只对负表压区间有意义;②别把「真空度 20 kPa」直接当 p₀ 用——它是差值,必须先加上/减去大气压换算回绝对值。

这套「绝对/表压/真空度」的换算在工程现场天天用:水泵吸入口的真空度决定它能「吸」多高的水(理论极限约 10.3 m,实际因汽蚀远低于此,第 8 章展开);压力容器铭牌标的是表压,热力学计算却要绝压——混用两种基准是静力学计算里排名第一的低级错误,养成习惯:拿到任何压强先问一句「这是绝压还是表压?」

从静压到「高度」:气压计与高度表

静力学基本方程反过来用,就把压强变成「量高」的工具。水银气压计:一根倒插在水银槽里的真空管,水银柱被大气压托住,柱高恰好 760 mm——「一个大气压 = 760 mmHg」就是从这根管子里量出来的。高度表:大气压强随海拔单调下降(标准大气:海平面 101.3 kPa,3000 m 约 70 kPa,拉萨海拔约 3650 m 处约 65 kPa),航空高度表本质上就是一支气压计——测当地静压,再按标准大气表折算成高度读数。客舱增压:客机巡航在 10~12 km,外界压强只有 26~22 kPa,人无法生存;增压系统把舱内维持在与约 2400 m 海拔相当的水平(约 75 kPa),乘客感觉「像在高原山城」而不是「在真空中」——起降时耳朵发胀,就是舱压随高度被程序化调节时,中耳内外压强差在起作用。

还有一个反向的应用:水泵的「扬程」。水泵铭牌上不写「能产生多少帕」,而写「扬程 H = 25 m」这类水柱高度——因为 p = ρgh,一段 25 m 的水柱对应的压强 ρgH = 9800×25 = 245 kPa 是水到渠成的换算。「用液柱高度说压强」不是偷懒,而是让工程师立刻看出这台泵能不能把水送上 25 m 高的楼顶。

🧠 一句话记忆 静止流体里压强「只认深度」:p = p₀ + ρgh。同一水平面压强相等,越深越大,液面压强层层叠加。

2.3帕斯卡原理

由 p = p₀ + ρgh 直接看出:如果我在密闭容器的液面上施加一个附加压强 Δp(比如往下压一个活塞),那么液体内每一点的压强都同时增加 Δp,无论这点在哪个位置、多深。这就是帕斯卡原理。

帕斯卡原理 在密闭容器内的静止流体上,任一点受到的外加压强,会大小不变地传到流体的每一点。

液压机:帕斯卡原理最著名的应用

液压千斤顶正是利用这一点「四两拨千斤」。一个 U 形密闭油路,左边小活塞面积 A₁,右边大活塞面积 A₂。在小活塞上用力 F₁,产生压强 Δp = F₁/A₁。这个压强无损地传到右边大活塞,大活塞受到的推力:

F₂ = Δp·A₂ = F₁ · (A₂/A₁)

因为 A₂/A₁ 可以很大(比如 100 倍),所以小力放大成大力。但天下没有免费的午餐:能量守恒要求「力 × 位移」不变,力放大 100 倍,小活塞就要移动 100 倍的位移。所以液压机是「用力换距离」——大力、小行程。

液压机原理 小活塞面积A1施加F1产生压强,压强无损传到面积A2的大活塞,产生放大的推力F2。 F₁, A₁ F₂ = F₁·(A₂/A₁), A₂ 密闭液体:压强 Δp = F₁/A₁ 无损传递 F₂ ≫ F₁
图 2-2液压机:小活塞的力通过密闭液体无损放大到大活塞上,力放大倍数为面积比 A₂/A₁。

📐 例题 3 液压机:力放大 100 倍的代价

液压机小活塞直径 d₁ = 20 mm,大活塞直径 d₂ = 200 mm,小活塞上加力 F₁ = 200 N,液体不可压缩。(a) 系统内压强多大?(b) 大活塞能顶起多重的物体?(c) 大活塞升高 1 mm,小活塞需压下多少?此过程做的功各是多少?

思路 帕斯卡原理:压强处处相等。p = F₁/A₁ → F₂ = pA₂ = F₁·(A₂/A₁);不可压缩 → 体积守恒 s₁A₁ = s₂A₂;功 = 力×位移。

解 (a) A₁ = π/4×(0.02)² = 3.14×10⁻⁴ m²,p = 200/3.14×10⁻⁴ ≈ 6.37×10⁵ Pa ≈ 0.64 MPa。(b) A₂ = π/4×(0.2)² = 3.14×10⁻² m² = 100A₁,F₂ = pA₂ = 20000 N = 20 kN——顶起约 2 吨。(c) s₁ = s₂·(A₂/A₁) = 1 mm×100 = 100 mm。做功:小活塞 W₁ = 200 N×0.1 m = 20 J;大活塞 W₂ = 20000 N×0.001 m = 20 J——分毫不差。

答:p ≈ 0.64 MPa,F₂ = 20 kN,小活塞须压下 100 mm;两端做功同为 20 J。 ⚠ 易错点:力放大 100 倍时行程必然缩小 100 倍,「省力不省功」在液压机上一分不差地兑现。别把 F₂ 算成 F₁×(d₂/d₁)——面积比是直径比的平方。

为什么必须是「密闭」?

帕斯卡原理的条件「密闭」值得推敲:往开口杯里压一个活塞,液面会自由上升,压强确实也传下去了,但「处处等值」被液面移动破坏——容器各点压强的增量取决于各自的新深度,直到流动停止、重新静止为止。所谓「密闭」,本质是边界不容许流体整体搬走:外加压强没有出口可泄,只能原封不动地压在每一点上。真实液压系统里还有第二层保障——液体压缩性极小,压强的传递几乎「瞬间」完成(压力波以液体声速约上千米每秒传播),这正是液压传动「快而硬」的物理基础。

工程应用俯拾皆是:汽车液压刹车——踏板推动主缸(小面积),制动液把压强等值传到四个轮缸(大面积活塞)夹紧刹车盘,脚上几十牛变成盘上千牛的夹紧力;液压作动筒——典型民航与工程机械液压系统工作压强约 20~28 MPa,一个直径 36 mm 的活塞(A ≈ 10 cm² = 10⁻³ m²)就能输出 F = pA = 21×10⁶×10⁻³ = 21 kN 的推力,大致相当于两吨物体压在活塞上——用一根小油管就「牵着」巨大的舵面或机械臂,这是液压系统成为飞行器与工程机械「肌肉」的原因。真实的系统有摩擦与泄漏,输出功小于输入功(机械效率通常 80%~90%),但「压强等值传递」这条原理本身永远成立。

顺带把液压系统的全貌补齐:一套典型的液压系统由四类元件构成——泵(把机械能转成液压能,是「心脏」)、阀(控制方向、压强、流量,是「大脑的手」)、缸或马达(把液压能转回机械能,是「肌肉」)、以及油箱、管路、滤油器等辅件。工作介质液压油身兼三职:传递压强、润滑运动副、带走摩擦热——粘度、压缩性、润滑性这三种流体物性,在同一个系统里同时登台(分别对应第 1 章的 1.4、1.5 节)。

📖 人物:布莱兹·帕斯卡(Blaise Pascal) 17 世纪法国数学家、物理学家。他在流体静力学上的贡献就是这条「压强等值传递」的规律,后世用他的名字命名压强单位「帕斯卡(Pa)」。帕斯卡在流体研究里还第一次系统地理解了「压强」这个量的本质。

2.4压强的表示与测量

压强有几种「起算基准」,容易混淆,务必分清:

关系是:绝对压强 = 大气压 + 表压强(绝对压强高于大气压时);真空度 = 大气压 − 绝对压强(绝对压强低于大气压时)。一个标准大气压 pₐ ≈ 101325 Pa ≈ 10.3 m 水柱 ≈ 760 mmHg。

绝对压强、表压强、真空度三套读数 一根绝对压强数轴:绝对真空为0,大气压101.3千帕,60千帕处真空度41.3千帕,150千帕处表压48.7千帕。 0(绝对真空) 101.3 kPa(大气压基准) ≈200 kPa 真空罐 60 kPa(绝对) 真空度 41.3 kPa 压力罐 150 kPa(绝对) 表压 48.7 kPa
图 2-7三套读数画在同一根绝对压强数轴上:真空度和表压都是「相对大气压的差」,一个向左量、一个向右量;绝对压强则永远从 0 量起。
常用压强单位换算(按 1 atm = 101325 Pa,g = 9.8 m/s²)
单位换算值出场场合
1 Pa1 N/m²SI 基本单位
1 bar= 100 kPa ≈ 0.987 atm欧洲工程图纸、液压
1 atm(标准大气压)= 101325 Pa物理与气象
1 at(工程大气压)= 98000 Pa老教材、锅炉行业
1 mH₂O(米水柱)≈ 9800 Pa水泵扬程、通风
1 mmHg(毫米汞柱)= 133.3 Pa血压计、气压计
1 psi≈ 6895 Pa英美图纸、轮胎气压

好用的整数锚点:一个标准大气压 ≈ 10.33 m 水柱 ≈ 760 mmHg ≈ 101.3 kPa ≈ 1 bar(差 1.3%)。记住「10 m 水柱 ≈ 1 个大气压」,现场估算屡试不爽——10 m 深的水压是 2 个绝对大气压、但只有 1 个表压。

测量:测压管与 U 型管

测压管:一根透明管竖直接在要测的点上,管内液柱上升的高度 h 直接给出该点的表压强 p = ρgh。简单直观,但只能测正压、且 h 不能太高。

U 型管(差压计):一根弯成 U 形的管,里面装水银等密度较大的液体,两端分别接两个待测点。根据两臂液面高度差 Δh 和管中液体密度,可以算出两点的压强差。它常用来测「两点压差」或「某点的表压强/真空度」。

U 型管差压计 U型管内装水银,两端接待测点,两臂液面高度差Δh反映两端压差。 接点 1 (p₁) 接点 2 (p₂) Δh p₁ − p₂ = (ρ汞−ρ液)g·Δh
图 2-3U 型管差压计:两臂液面高度差 Δh 反映两端压强差。

📐 例题 4 U 型水银差压计:找等压面的完整演练

一水平水管两点各接一取压孔,经导压管接到 U 型水银差压计(ρ汞 = 13600 kg/m³)两端,读得水银面高度差 Δh = 50 mm,且水银面以上导压管中充满水(ρ水 = 1000 kg/m³)。求两点压差,并判断哪一点压强大。

思路 三步套路:①过水银的低液面作水平线(同种液体、静止 → 等压面);②沿两侧液柱分别写出两测点压强到该等压面的表达式;③两式相等解出压差。

解 设低汞面在等压线上。左路(接点 1):p₁ + ρ水g·a = p等(a 为点 1 到等压线的水柱高);右路(接点 2):p₂ + ρ水g·(a + Δh) = p等。两式相减得 p₁ − p₂ = (ρ汞 − ρ水)g·Δh?——注意从等压线再往下走一步:右侧等压面下方汞柱比左侧高 Δh,严格推导给出 p₁ − p₂ = (ρ汞 − ρ水)gΔh = (13600 − 1000)×9.8×0.05 ≈ 6174 Pa ≈ 6.2 kPa。

验算直觉 若管中改充水银上方为空气(ρ 忽略),则 p₁ − p₂ = ρ汞gΔh = 13600×9.8×0.05 ≈ 6.66 kPa;两结果之差正是导压管里那段「水柱」的修正。水银差压计的妙处:50 mm 的汞柱就能「称出」6 kPa 的压差,量程小而灵敏。

答:p₁ − p₂ ≈ 6.17 kPa,汞面较低一侧(点 1)压强大。 ⚠ 易错点:①等压面必须画在同一种液体内部,画到两种液体交界面上会错;②密度差用 (ρ汞−ρ水) 而不是 ρ汞——导压管里的水也压在汞柱上;③单位统一用 m(50 mm = 0.05 m)。

测压管与 U 型管合称「液柱式测压计」,是压强测量的原理级工具;工程上更常用的是把压强转成电信号的压差传感器(应变式、压阻式),风洞与发动机试验台上成百上千的测点靠「压力扫描阀」轮流巡检。但标定这些传感器的基准,最终还是回到液柱——原理永远是最硬的标尺。测压的下一步是测速度:把静压与「滞止压」同时测出来,两者之差就能算流速,那是第 5 章伯努利方程的皮托管故事。

再补一件最常见的仪表:弹簧管(布尔登管)压力表。它的敏感元件是一根弯成弧形、截面为扁椭圆的空心金属管,一端封口接指针机构。管内通入被测压强(表压)后,椭圆截面在内压下有变圆的趋势,弯管随之微微「伸直」,牵动扇形齿轮放大成指针偏转。它结构简单、量程宽,工厂里绝大多数「压力表」都是它——读数都是表压;刻度盘下缘标注的精度等级(如 1.6 级)表示满量程误差的百分数。

2.5平面上的静水总压力

工程上经常要算「流体压在墙上、闸门上的总力有多大、作用在哪」。这是流体静力学最有用的计算。

总压力的大小

考虑一个竖直(或倾斜)的平面,面积 A,浸在液体中。面上各点深度不同、压强不同(p = ρgh),要积分求和。结果是:

P = ρg·hc·A = pc·A

其中 hc 是平面形心(几何中心)的淹没深度,pc 是形心处的压强。总压力 = 形心处的压强 × 面积——公式意外地简单。

压力中心:总压力作用在哪

总压力不是作用在形心,而是作用在一个更靠下的点——压力中心。原因是压强随深度线性增大,所以「压强分布的合力」偏向深的一侧。压力中心的位置比形心更靠下(更靠近液面下方)。压力中心的深度 yD 满足:

yD = yc + Ic / (yc·A)

其中 yc 是形心到自由液面(沿面方向)的距离,Ic 是面积关于过形心轴的惯性矩。因为 Ic/(ycA) > 0,所以压力中心总在形心之下。

平面上压强分布与压力中心 竖直平板上的压强呈三角形分布,越深越大;合力作用在压力中心,位于形心下方。 压强三角形分布 形心 压力中心(更靠下) P = ρg·hc·A
图 2-4平面上的压强呈三角形分布,总压力 P = ρg·hc·A,作用在形心下方的压力中心。

从积分看「形心压强 × 面积」

总压力公式 P = ρg·hc·A 不是巧合,是对压强分布积分的必然结果。取面积微元 dA,其压强 p = ρg·y·sin α(y 沿壁面从液面量起,α 为壁面与液面夹角;y·sin α 正是微元的深度)。总压力:

P = ∫ p dA = ρg sin α ∫ y dA = ρg sin α · yc · A = ρg hc A

其中 ∫y dA = ycA 正是「面积对液面线的静矩」——形心的定义。压强线性分布的合力必然过「分布图形的形心」,这是数学送的结果,不是流体力学的特殊约定。

再看作用点。对液面线取矩:P·yD = ∫p·y dA = ρg sin α·I₀(I₀ 为面积对液面线的惯性矩)。代入平行移轴定理 I₀ = Ic + A·yc²,与 P = ρg yc sin α·A 联立:

yD = yc + Ic / (yc·A)

附加项恒正——压力中心永远在形心下方。物理原因:压强分布是「上小下大」的三角形类图形,其合力自然偏向下部。Ic/(ycA) 这个偏移量告诉我们:闸门越「高瘦」(Ic 大)、越贴着液面(yc 小),压力中心偏得越多。

📐 例题 5 矩形竖直闸门:总压力与压力中心

矩形竖直闸门宽 b = 2 m、高 H = 3 m,顶边在水面下 2 m。求总压力大小、压力中心深度,及压力中心到形心的偏移量。

思路 竖直壁面 sin α = 1,y = 深度。先算形心深度 hc 与面积 A,得 P;再用 yD = yc + Ic/(ycA),矩形 Ic = bH³/12。

解 形心深度 hc = 2 + 3/2 = 3.5 m;A = 2×3 = 6 m²。P = ρg·hc·A = 9800×3.5×6 = 205800 N ≈ 206 kN(相当于 21 吨重物压在门上)。Ic = 2×3³/12 = 4.5 m⁴。yD = 3.5 + 4.5/(3.5×6) = 3.5 + 0.214 = 3.71 m。偏移量 0.214 m,压力中心距闸门底 5 − 3.71 = 1.29 m。

答:P ≈ 206 kN;压力中心在水面下 3.71 m 处,比形心低 0.214 m,距门底 1.29 m。 ⚠ 易错点:① hc 是形心的深度,别拿顶边或底边深度代入;②偏移项 Ic/(ycA) 用的 yc 是沿壁面从液面量起的形心距离——竖直壁时恰好等于深度,倾斜壁时二者不同(yc 沿斜面量、hc 沿竖直量)。

这个数字给工程直觉:一扇 2×3 m 的闸门挡 2~5 m 深的水,就要吃两百千牛——两百多吨推力的闸门启闭系统(卷扬机、液压启闭机、丝杠)都必须按压力中心的位置设计受力,且提升闸门时还要克服止水橡胶的摩擦。重力坝做成上窄下宽的三角形断面,同样是在「压强随深度增大」这根指挥棒下的最优截面:让坝体自重的抗倾力矩追着水压力的倾覆力矩增长。

随堂快算(倾斜壁):同一扇 1 m×2 m 的矩形板改为与水面成 30° 的斜置闸门,顶边仍在水下 0.5 m。沿斜面量:顶边到液面距离 = 0.5/sin30° = 1 m,形心 yc = 1 + 2/2 = 2 m;竖直深度 hc = yc·sin30° = 1 m。总压力 P = ρg·hc·A = 9800×1×2 = 19.6 kN;压力中心 yD = 2 + (1×2³/12)/(2×2) = 2.17 m(沿斜面)。同样的「形心压强×面积」,只是把「深度」与「斜距」分清即可。

🧠 一句话记忆 总压力大小 = 形心压强 × 面积;作用点(压力中心)总在形心下方。所以水坝、闸门最吃力的地方偏下,工程上要重点加固下半段。

2.6曲面上的总压力与压力体

如果受压面是曲面(比如水坝的弧形闸门、球形容器壁),压强方向各处不同,不能简单相加。办法是分解成水平和竖直两个方向分别求:

什么是压力体?

压力体是一个想象出来的「体积」:它由受压曲面、自由液面(或自由液面的延伸面)、以及从曲面边界向自由液面作的竖直投影面三者围成。这个体积里装满流体的话,流体的重量就是曲面所受的竖直总压力。

关键是要判断方向:实压力体(压力体内确实有流体)竖直分力向下;虚压力体(压力体在曲面上方、是空的)竖直分力向上。判断方法:想象给压力体装满水,这「水」压向曲面的方向就是竖直分力的方向。

曲面上的压力体 弧形曲面受液体压力,其竖直分力等于压力体(曲面、液面及竖直投影面围成的体积)内流体的重量。 受压曲面 压力体(斜线区) Pz = ρg·(压力体体积)
图 2-5曲面受压:竖直分力等于「压力体」内流体的重量,水平分力等于曲面投影面的总压力。

曲面总压力的合力就是水平分力和竖直分力的矢量合成:P = √(Px² + Pz²)。

📐 例题 6 四分之一圆弧闸门:水平分力 + 压力体

弧形闸门为四分之一圆柱面,宽 b = 4 m(垂直纸面),半径 R = 2 m,圆心 O 与水面同高,闸门可绕过 O 的水平轴转动;水在门的一侧,门顶恰在水面处、门底在水下 R 处。求总压力的大小、方向,并说明铰链放在 O 处有什么好处。

思路 曲面 → 分解:Px 用竖直投影面(宽 b、高 R 的矩形)算;Pz 用压力体(四分之一圆面积 × b);再合成。

解 水平分力:投影面 Ax = bR = 8 m²,形心深度 R/2 = 1 m,Px = ρg·(R/2)·bR = 9800×1×8 = 78400 N ≈ 78.4 kN。竖直分力:压力体 = 四分之一圆面积 × 宽 = (πR²/4)·b = 3.14×4 = 12.57 m³(流体在曲面上方,为实压力体,方向向下),Pz = ρgV = 9800×12.57 ≈ 123100 N ≈ 123.1 kN。合成:P = √(78.4² + 123.1²) ≈ 146 kN;方向:与水平成 atan(123.1/78.4) ≈ 57.5°,斜向下。

答:P ≈ 146 kN,沿与水平约 57.5° 斜向下。由于每点压强都垂直指向圆柱面、延长线过圆心 O,总压力的作用线也必过 O——把转轴铰链放在 O,水压力对轴几乎不产生力矩,开关门只需克服轴承摩擦与止水阻力,启闭机功率大幅降低。这是弧形闸门在水利工程中长盛不衰的原因。 ⚠ 易错点:① Px 的形心深度是投影面形心的深度(R/2),不是曲面最低点深度;②压力体体积别忘乘宽度 b;③「合力过圆心」只对圆弧面成立。

辨析:压力体是「几何构造」,与那里有没有真实液体无关 压力体由曲面、液面(及其延伸面)、竖直投影面纯几何地围出。区域里真有水(实压力体),Pz 向下;区域里没水(虚压力体,如桥墩底面、船体外板、涵洞顶盖),Pz 反而向上——等于把「想象中装满压力体的水」的重量,按「压向曲面」的方向安放。判断实虚只有一个动作:看真实液体在曲面的哪一侧。做题时先画压力体、再标方向,比背口诀可靠。

2.7浮力:阿基米德原理

把上一节「曲面总压力」的思想用到一个完全浸没(或漂浮)的物体上,就自然得到浮力——这是流体静力学最优雅的结论之一。

从压强差推导浮力

一个物体浸在流体中,它表面每一点都受到流体的静压强。物体侧面的压强左右对称、相互抵消;但上下表面因为深度不同,压强不同:下表面更深、压强更大,于是产生一个净向上的力——这就是浮力。

定量算:上下表面的压强差乘以面积,积分后正好等于「物体排开的流体的重量」:

阿基米德原理 浸在流体中的物体所受的浮力,大小等于它所排开的流体的重量,方向竖直向上。即 F浮 = ρ流体·g·V排。

浮力的物理本质

注意:浮力不是一个独立的「新力」,它本质就是流体静压强在物体表面上的合力。压强只随深度变(p = ρgh),物体上下有深度差,压强差就「自动」产生浮力。所以浮力不需要流体「有意识地往上顶」,它只是 p = ρgh 的自然结果。

由浮力和重力的大小关系,可以直接判断物体沉浮:

浮力的来源 浸没物体的下表面压强大于上表面,压强差产生向上的浮力。 小 (浅) 大 (深) F浮 = 下−上 = ρg·V排
图 2-6下表面压强大于上表面,压强差合成向上的浮力,大小等于排开流体的重量。

📐 例题 7 浮筒的吃水深度

一圆柱形浮筒直径 d = 1 m、高 H = 1.2 m、质量 m = 300 kg,竖直漂浮在海水(ρ = 1025 kg/m³)中。求吃水深度 h 与干舷(露出水面部分),并校核它是否会沉没。

思路 漂浮平衡:重力 = 浮力。mg = ρ海gV排,V排 = A·h(A 为筒截面积)。

解 V排 = m/ρ海 = 300/1025 ≈ 0.293 m³。A = π/4×1² ≈ 0.785 m²。h = 0.293/0.785 ≈ 0.37 m;干舷 = 1.2 − 0.37 = 0.83 m。校核:全浸没时最大浮力 Fmax = ρg·A·H = 1025×9.8×0.942 ≈ 9470 N,远大于重力 mg = 2940 N——储备浮力充足(全浸没时净向上力还有约 6.5 kN),不会沉。

答:吃水约 0.37 m,干舷 0.83 m;全浸没浮力约 9.47 kN > 重力 2.94 kN,浮筒安全。 ⚠ 易错点:① V排 只算浸没部分体积,漂浮时不是物体全体积;②海水的 1025 与淡水的 1000 别混;③「储备浮力」=全浸没浮力 − 重力,是船舶安全性的核心指标。

📐 例题 8 称重法测密度:阿基米德原理当「秤」用

一金属零件在空气中用弹簧秤读得 G₁ = 49 N,完全浸没在水中读得 G₂ = 39.2 N。求零件体积与密度(g = 9.8 m/s²,忽略空气浮力与吊线影响)。

思路 水中「变轻」的量就是浮力:F浮 = G₁ − G₂;由 F浮 = ρ水gV 反解出 V,再算密度。

解 F浮 = 49 − 39.2 = 9.8 N。V = F浮/(ρ水g) = 9.8/(1000×9.8) = 1×10⁻³ m³(恰好 1 升)。质量 m = G₁/g = 49/9.8 = 5 kg。密度 ρ = m/V = 5/0.001 = 5000 kg/m³。

答:体积 1 L,密度 5000 kg/m³(介于钢铁 7850 与铝 2700 之间,提示是某种合金)。这就是「尤里卡」典故的现代版——阿基米德原理把一台弹簧秤升级成了密度计。 ⚠ 易错点:①水中读数是「视重」,别把它当浮力;浮力是两个读数之差;②零件必须完全浸没且不触底,触底时秤读数里混入支持力,浸没不完全则 V排 < V。

浮心与初步的稳定性

浮力的作用点叫浮心——它就是排开那部分流体体积的形心(不是物体重心!)。漂浮物的平衡不只看「浮力 = 重力」,还看两个力是否共线:重心 G 在浮心 B 正下方的构型,受扰侧倾后浮心位置随水下体积形状而移动,通常会产生一个把船「扶正」的恢复力矩——这就是为什么船舶可以稳定漂浮,即便整体重心高于浮心(具体判据是重心与「定倾中心」的相对位置,是船舶静力学的核心内容,这里先立概念)。半潜式平台故意把大浮力舱沉到水下深处、用细窄的立柱穿过水面,正是「重心低、水线面小」的稳定性设计。

再看气体:空气也是流体,一样有浮力。氦气球每立方米提供净升力约 (ρ空气 − ρ氦)g ≈ (1.225 − 0.169)×9.8 ≈ 10.3 N/m³——100 m³ 的氦气囊只能吊起约 105 kg,这解释了为什么飞艇必须做成几百米长的巨物,也解释了热气球为什么要「越大越好、越热越好」(热空气密度低,加热到 100℃ 时内外密度差约 0.3 kg/m³)。船舶侧面的「载重线」(普林索尔标志)则把浮力原理写进法律:吃水越深、储备浮力越小,不同海区、季节允许的最大吃水线都刻在船壳上。

工程应用:密度分层与「死海效应」 浮力公式的 ρ 是流体的密度,流体密度一变浮力就变。死海含盐量约 34%,水密度约 1240 kg/m³:人体密度约 985 kg/m³,在淡水里要浸没 98.5% 才能浮起,在死海里只需浸没约 79%——剩下五分之一的身体被浮力高高托出水面,人可以躺在水上看报。工程上的对应物叫密度分层:水库温跃层、江河淡咸水交汇处,上下水层密度不同,物体(潜艇、泥沙、污染物羽流)在穿越分层界面时浮力会突变;船舶从淡水驶入海水,吃水也会因 ρ 从 1000 变到 1025 而略微上浮(V排 = m/ρ 自动缩小约 2.4%)。

📖 典故:阿基米德的「尤里卡」 相传古希腊学者阿基米德在洗澡时,发现身体浸入水中会使水溢出,顿悟「排开的水量 = 浸入的体积」,从而想到用浮力鉴别王冠是否掺假,激动得光着身子跑上街喊「Eureka!」(我找到了)。这个典故未必完全真实,但它精准地传达了一个物理思想:浮力 = 排开流体的重量。

本章小结

  1. 静止流体的压强是各向同性的标量:同一点各方向压强相等,方向总垂直指向作用面。
  2. 静力学基本方程 p = p₀ + ρgh:压强只随深度线性增加,与水平位置无关;由液柱受力平衡推导。
  3. 帕斯卡原理:密闭流体的外加压强无损传到各点,液压机据此用小力换大力。
  4. 压强三种表示:绝对压强、表压强(=绝对−大气压)、真空度(=大气压−绝对),可用测压管、U 型管测量。
  5. 平面上总压力 P = ρg·hc·A,作用在形心下方的压力中心;曲面上分水平/竖直两方向求,竖直分力即压力体内流体重量。
  6. 浮力 = 排开流体的重量,本质是上下表面压强差,是 p=ρgh 的自然结果。
  7. 工程换算锚点:1 atm ≈ 10.33 m 水柱 ≈ 760 mmHg ≈ 101.3 kPa ≈ 1 bar;等压面三条件(连续同种流体、静止、仅重力)是 U 型管解法的钥匙;圆弧面总压力过圆心,铰链置心可省力。

读完本章,你应该能……

思考题

1. 为什么静止流体中同一点的压强「各方向相等」?如果不等会怎样?

提示:取一个微小楔形流体元,若各方向压强不等则合力不为零,流体会被推着动,违反「静止」前提。所以各方向压强必须相等。

2. 一个水坝,为什么坝底做得比坝顶厚得多?用 p = ρgh 解释。

提示:压强随深度线性增大,坝底受到的压强最大、总压力也最大,所以需要更厚的结构抵抗。

3. 液压机「省力」违反能量守恒吗?为什么?

提示:不违反。力放大多少倍,位移就缩小多少倍,功(力×位移)守恒。省力用距离来换。

4. 浮力为什么说「不是一种新的力」?它到底从哪来?

提示:浮力就是流体静压强在物体表面的合力,因上下表面深度差(压强差)而产生,本质是 p=ρgh 的结果,不是流体额外施加的独立力。

5. 水下 10 m 与 20 m 各有一个完全浸没的同一个小球,浮力哪个大?为什么?

提示:一样大。全浸没时 V排 相同,浮力 = ρgV排 与深度无关——深度增加同时抬高上下表面的压强,压强差不变。(但要注意:水若可压缩,深处 ρ 略增、浮力略增,见第 1 章例题 6 的 0.93%。)

6. 弧形闸门的铰链为什么常设在圆心处?设计上带来什么好处?

提示:圆弧面上每点压强都指向圆心,合力作用线过圆心。铰链放在圆心,水压力对转轴的力矩几乎为零,启闭只需克服摩擦与止水阻力——例题 6 的 146 kN 巨力被「力臂为零」化解了。

7. 表压 −20 kPa 的容器,其绝对压强与真空度各是多少?表压 −120 kPa 为什么不可能(设当地大气压 101.3 kPa)?

提示:绝对压强 = 101.3 − 20 = 81.3 kPa,真空度 = 20 kPa。若表压 −120 kPa,绝对压强将是 −18.7 kPa < 0——绝对压强不可能为负,「负表压」的极限是真空度 = 大气压。