O campo da física da estática dos fluidos

A estática de fluidos é o campo da física que envolve o estudo de fluidos em repouso. Como esses fluidos não estão em movimento, isso significa que eles alcançaram um estado de equilíbrio estável; portanto, a estática dos fluidos é basicamente a compreensão dessas condições de equilíbrio de fluidos. Ao focar em fluidos incompressíveis (como líquidos) em oposição a fluidos compressíveis (como a maioria gases), às vezes é chamado de hidrostática.

Um fluido em repouso não sofre nenhum estresse e só experimenta a influência da força normal do fluido circundante (e paredes, se estiver em um recipiente), que é o pressão. (Mais sobre isso abaixo.) Essa forma de condição de equilíbrio de um fluido é considerada uma condição hidrostática.

Os fluidos que não estão em uma condição hidrostática ou em repouso e, portanto, estão em algum tipo de movimento, se enquadram no outro campo da mecânica dos fluidos, dinâmica de fluidos.

Considere uma fatia transversal de um fluido. Diz-se que experimenta um estresse absoluto se estiver enfrentando um estresse coplanar ou um estresse que aponta em uma direção dentro do avião. Um estresse tão puro, em um líquido, causará movimento dentro do líquido. O estresse normal, por outro lado, é um impulso para a área da seção transversal. Se a área estiver contra uma parede, como a lateral de um copo, a área da seção transversal do líquido exercerá uma força contra a parede (perpendicular à seção transversal - portanto, não coplanar a ele). O líquido exerce uma força contra a parede e a parede exerce uma força para trás; portanto, há força líquida e, portanto, nenhuma mudança no movimento.

O conceito de força normal pode ser familiar desde o início do estudo da física, porque aparece muito no trabalho e na análise diagramas de corpo livre. Quando algo está parado no chão, ele empurra para o chão com uma força igual ao seu peso. O solo, por sua vez, exerce uma força normal de volta na parte inferior do objeto. Ele experimenta a força normal, mas a força normal não resulta em nenhum movimento.

Uma força pura seria se alguém empurrasse o objeto pelo lado, o que faria com que o objeto se movesse tanto tempo que pudesse superar a resistência ao atrito. Uma força coplanar dentro de um líquido, no entanto, não estará sujeita a atrito, porque não há atrito entre as moléculas de um fluido. Isso faz parte do que o torna fluido, e não dois sólidos.

Mas, você diz, isso não significa que a seção transversal está sendo empurrada de volta para o restante do fluido? E isso não significa que ele se move?

Este é um excelente ponto. Essa lasca de seção transversal está sendo empurrada de volta para o restante do líquido, mas quando o faz, o restante do fluido empurra para trás. Se o fluido for incompressível, essa pressão não moverá nada em lugar algum. O fluido vai empurrar para trás e tudo ficará parado. (Se compressível, existem outras considerações, mas vamos simplificar por enquanto.)

Todas essas minúsculas seções transversais de líquido se pressionam umas contra as outras e contra as paredes do recipiente, representam pequenos pedaços de força e toda essa força resulta em outra importante propriedade física do fluido: o pressão.

Em vez de áreas de seção transversal, considere o fluido dividido em cubos minúsculos. Cada lado do cubo está sendo empurrado pelo líquido circundante (ou pela superfície do contêiner, se ao longo da borda) e todos esses são esforços normais contra esses lados. O fluido incompressível dentro do cubo minúsculo não pode comprimir (é o que "incompressível" significa, afinal); portanto, não há mudança de pressão dentro desses cubos minúsculos. A força que pressiona em um desses cubos minúsculos será forças normais que cancelam precisamente as forças das superfícies adjacentes do cubo.

Esse cancelamento de forças em várias direções é uma das principais descobertas em relação à pressão hidrostática, conhecida como Lei de Pascal, em homenagem ao brilhante físico e matemático francês. Blaise Pascal (1623-1662). Isso significa que a pressão em qualquer ponto é a mesma em todas as direções horizontais e, portanto, que a mudança de pressão entre dois pontos será proporcional à diferença de altura.

Outro conceito-chave para entender a estática dos fluidos é o densidade do fluido. Ele figura na equação da Lei de Pascal, e cada fluido (assim como sólidos e gases) tem densidades que podem ser determinadas experimentalmente. Aqui estão algumas densidades comuns.

Densidade é a massa por unidade de volume. Agora pense em vários líquidos, todos divididos em pequenos cubos que mencionei anteriormente. Se cada cubo minúsculo é do mesmo tamanho, as diferenças de densidade significam que cubos minúsculos com densidades diferentes terão diferentes quantidades de massa. Um cubo minúsculo de maior densidade terá mais "material" do que um cubo minúsculo de densidade mais baixa. O cubo de maior densidade será mais pesado que o cubo minúsculo de menor densidade e, portanto, afundará em comparação com o cubo minúsculo de menor densidade.

Portanto, se você misturar dois fluidos (ou mesmo não fluidos), as partes mais densas afundarão e as partes menos densas subirão. Isso também é evidente no princípio da flutuabilidade, isso explica como o deslocamento de líquido resulta em uma força para cima, se você se lembra do seu Arquimedes. Se você prestar atenção à mistura de dois fluidos durante o processo, como quando você mistura óleo e água, haverá muito movimento de fluidos, o que seria coberto por dinâmica de fluidos.

Mas assim que o fluido atingir o equilíbrio, você terá fluidos de diferentes densidades que se estabeleceram em camadas, com o fluido de maior densidade formando a camada inferior, até atingir o menor densidade fluido na camada superior. Um exemplo disso é mostrado no gráfico desta página, onde fluidos de diferentes tipos se diferenciaram em camadas estratificadas com base em suas densidades relativas.