Estoy estudiando sobre fluidos en este momento y nunca he estado tan confundido desde entonces sobre algunos temas relacionados con fluidos en los que pensé que tenía confianza, como la presión del líquido, la velocidad de las partículas, la flotabilidad. Cuanto más investigo, más me doy cuenta de que creo que ya no entiendo cuál es la causa / fuente de la presión del líquido, la forma en que se mueven las partículas de líquido. Y después de mucho tiempo explorando la web, me doy cuenta de la fuente principal de este problema, que es que he estado visualizando moléculas líquidas como una partícula de gas ideal todo este tiempo, lo que ahora me doy cuenta de que no es correcto.
Obviamente, sabía por los capítulos de física básica que las moléculas líquidas están más cerca unas de otras (en términos de distancia) que las partículas de gas, pero de alguna manera todavía visualizaba las moléculas líquidas deslizándose constantemente y chocando entre sí y con los lados del recipiente a toda velocidad como el gas. partículas Vi que las partículas de líquido se movían libremente por todas partes sin muchos obstáculos, de un lado extremo del recipiente a otro, desde el fondo del recipiente hasta la parte superior del nivel del líquido, al igual que las partículas de gas rebotan libremente desde la parte superior del recipiente hasta el fondo del recipiente como una pelota. Con esta suposición, entonces pensé en la presión del fluido como una propiedad que surge de la colisión entre partículas y entre partículas y el contenedor, sin una influencia significativa de la gravedad (ya que la gravedad no juega un papel importante en la presión del gas, por lo que sé. Aunque podría estar equivocado) !
Entonces, mi pregunta principal es cómo se organizan las partículas líquidas unas alrededor de otras en un recipiente. ¿Cómo se mueven uno alrededor del otro? ¿Son libres de moverse a cualquier lugar sin muchos obstáculos? ¿Por qué la gravedad juega un papel importante en la presión del líquido pero no en la presión del gas ideal? Cuando sumerjo un objeto en líquido, ¿por qué el objeto simplemente no se hunde en el fondo del recipiente sin importar cuán liviano o pesado sea, porque las moléculas líquidas individuales pueden moverse libremente, verdad? Entonces, ¿por qué no siguen moviéndose hacia los lados, hacia arriba, hacia abajo y obviamente elevan el nivel del líquido mientras hacen espacio para el objeto? ¿Por qué pasar por toda la explicación de la fuerza de flotación, dolor de cabeza flotante, medio sumergido, completamente sumergido? Si alguien puede explicarme este problema o indicarme alguna dirección, se lo agradecería mucho. Gracias.
Creo que la principal diferencia con un gas es que en un líquido, cada molécula está constantemente en contacto con otras moléculas. En cierto sentido, son libres de moverse a cualquier lugar, pero sus caminos pueden ser mucho más erráticos que si estuvieran en un gas. La gravedad juega un papel más importante simplemente porque la densidad suele ser mucho mayor en un líquido que en un gas.
La diferencia clave entre un líquido y un gas es la presencia de interacciones entre partículas. En un gas ideal, las partículas están muy separadas y no interactúan, o en teorías un poco más sofisticadas tienen una interacción de contacto de núcleo duro. Por esta razón, en un gas, la presión es creada por los momentos de las partículas individuales que golpean las paredes de un recipiente, por lo que en realidad solo depende de la energía cinética de las partículas individuales (es decir, la temperatura del gas) y la densidad.
Los líquidos son diferentes. Las interacciones entre partículas no se pueden ignorar porque el espacio promedio entre partículas es comparable a la escala de distancia de las interacciones. Dado que hay tantas interacciones, pueden ser mucho más complicadas que una interacción de contacto como si se tratara un gas... aunque con frecuencia las personas usan interacciones de contacto porque son fáciles de modelar físicamente. Sin embargo, el agua, por ejemplo, tiene atracción y repulsión entre los polos de las moléculas individuales, una interacción que no puede modelarse como una interacción de contacto. Las partículas de un líquido están tan juntas que se dispersan constantemente unas de otras; el camino libre medio es muy corto. La presión del líquido todavía es creada por partículas que chocan con las paredes del recipiente, pero debido a las interacciones entre partículas,
En cuanto a su pregunta sobre la gravedad, vale la pena señalar que la presión del gas se ve afectada por la gravedad de la misma manera que los líquidos. La escala de distancia es bastante larga, pero es posible que haya notado que a gran altura es más difícil respirar porque la densidad del aire es menor. La razón por la que esto ocurre con todos los fluidos, tanto líquidos como gases, es simplemente que algo tiene que sostener las partículas superiores para que no todo se asiente en una capa plana en el fondo de su contenedor. Para una capa dada de partículas en un líquido (a una temperatura bastante uniforme), en promedio, la fuerza vertical sobre la capa debe ser cero. Dado que la gravedad empuja hacia abajo, eso significa que debe haber más fuerza proveniente de las interacciones entre partículas desde abajo que desde arriba. Si luego piensas en la siguiente capa, todavía es necesario que haya más fuerza desde abajo que desde arriba, pero la fuerza desde debajo de esa capa es menor, por lo que la fuerza desde arriba también puede ser menor. Entonces, verá que habrá un gradiente con capas superiores que necesitarán menos fuerza desde abajo para mantener el equilibrio, y la fuerza neta entre las capas dividida por el área de la sección transversal es la presión. Cuando pones un objeto en el líquido, siente la misma fuerza desde arriba y desde abajo, por lo que siente algo de flotabilidad porque la fuerza desde abajo es mayor. La cuestión de si se hunde o flota se reduce a si la fuerza de gravedad sobre el objeto es mayor que la diferencia de la fuerza desde arriba y desde abajo. Entonces, verá que habrá un gradiente con capas superiores que necesitarán menos fuerza desde abajo para mantener el equilibrio, y la fuerza neta entre las capas dividida por el área de la sección transversal es la presión. Cuando pones un objeto en el líquido, siente la misma fuerza desde arriba y desde abajo, por lo que siente algo de flotabilidad porque la fuerza desde abajo es mayor. La cuestión de si se hunde o flota se reduce a si la fuerza de gravedad sobre el objeto es mayor que la diferencia de la fuerza desde arriba y desde abajo. Entonces, verá que habrá un gradiente con capas superiores que necesitarán menos fuerza desde abajo para mantener el equilibrio, y la fuerza neta entre las capas dividida por el área de la sección transversal es la presión. Cuando pones un objeto en el líquido, siente la misma fuerza desde arriba y desde abajo, por lo que siente algo de flotabilidad porque la fuerza desde abajo es mayor. La cuestión de si se hunde o flota se reduce a si la fuerza de gravedad sobre el objeto es mayor que la diferencia de la fuerza desde arriba y desde abajo.
Espero que esto haya ayudado, avíseme si hay partes que podría aclarar o elaborar
Copiaré para usted aquí una de mis respuestas anteriores sobre este tema:
Las moléculas líquidas (tomando el agua como ejemplo) están constantemente moviéndose, chocando, intercambiando lugares, golpeando de frente y pasando a través de sus vecinos como bailarines en un mosh pit. Rebotan en las paredes y entre sí con la misma fuerza. En un instante dado, algunos se mueven muy rápido, otros más lentamente, pero en promedio todos se mueven rápidamente, moviéndose solo un poco entre colisiones mientras todos se amontonan hombro con hombro.
Debido a que su movimiento es aleatorio, como grupo no van a ninguna parte, pero al deslizarse y deslizarse y apretarse e intercambiar posiciones, con el tiempo cada uno se encontrará alejándose de su posición original y de esta manera la pista de baile es bien mezclados: ninguno de ellos se queda con sus parejas de baile originales por mucho tiempo.
Los bailarines no están tomados de la mano, lo que significa que no soportan fuerzas de cizallamiento, por lo que pueden deslizarse entre sí sin mucha resistencia.
Dejamos caer un gran globo encima de la multitud, ¿se cae al suelo? No, hay bailarines en el camino, y son más densos que el globo, por lo que la gravedad empuja a los bailarines hacia abajo y el globo flota en la parte superior.
Dejamos caer una esfera de plomo sólido encima de la multitud, ¿flota encima? No, es más denso que los bailarines y los empuja a todos fuera del camino mientras caen al suelo, y los bailarines flotan en su lugar (no es una analogía perfecta, pero creo que te haces una idea).
Finalmente: imagina que hacemos una pirámide de los bailarines sobre sus manos y rodillas, con otros bailarines encima de ellos, y aún más encima de ellos. Se estremecen y se sacuden por la carga y los que están en la parte inferior soportan todo el peso de cada capa de bailarines por encima de ellos. Pero como no tienen a dónde ir a los lados debido a las paredes del salón de baile, simplemente se sientan allí y los aplastan. Un bailarín en el medio de la pila (con bailarines arriba y abajo) está rodeado por todos lados por bailarines aplastados y debido a que ella también está constreñida hacia los lados, siente una presión uniforme que la aprieta desde todos los lados.
Un bailarín en la parte superior de la pila no siente esa presión, solo el contacto lateral de sus vecinos más cercanos.
Debido a que los bailarines son modernos, son tan flexibles y ondulados que cualquier bailarín en la parte inferior de la pila aún puede apretujarse e intercambiar lugares con sus vecinos más cercanos, pero la presión que sienten no los "sigue" si se mueven. hasta la parte superior de la pila, ya que depende de qué tan profundo esté el bailarín en la pila.
¡Así que piense en las moléculas de agua como bailarinas modernas en un mosh pit teniendo una buena ira y estará en el camino correcto!
Además de otras respuestas, en realidad puede pensar en un líquido como un caso especial de un gas, por ejemplo, puede leer sobre el fluido Lenard-jones. Esto significa que la fuerza de cada partícula entre sí está dictada por un potencial de Lenard-Jones https://en.wikipedia.org/wiki/Lennard-Jones_potential . Con esto, puedes simular sólido, líquido, gas o incluso 2 o 3 estados coexistentes de una sustancia si pones las condiciones iniciales adecuadas. Normalmente las condiciones iniciales se eligen con la temperatura, que termodinámicamente es
Respondiendo a su otra pregunta, las partículas pueden moverse libremente pero no pueden ir a donde quieran. Están delimitados por la distribución de energía de Maxwell-Boltzman. Por ejemplo, la componente x de la velocidad de todas las partículas debe distribuir el centro normal en 0 con suponiendo que todas las partículas tienen la misma masa. Esto es cierto para sólidos, líquidos o gases, o incluso algunos plasmas si los efectos cuánticos no son significativos, si lo son, debe usar la distribución de energía de Fermi-Dirac. Esto significa que las fuerzas horizontales se anulan entre sí y por eso un objeto se hunde directamente hacia abajo si no hay turbulencia en el fluido.
La razón por la que no estudiamos los fluidos de esta manera es que este enfoque microscópico es difícil de usar en la práctica. Si tomas un curso de mecánica estadística puedes aprender más sobre esto. La dinámica de fluidos es un enfoque macroscópico, por lo que pensar en un fluido como un grupo de partículas es un poco equivocado.
Además, el papel de la gravedad es obligar a las partículas a acercarse, convirtiendo así algo que debería ser un gas en en un fluido o en un sólido. Esto sucede en el núcleo de la tierra o en las estrellas, por ejemplo. El efecto de la gravedad también incrementa la presión porque las partículas están más cerca unas de otras, por lo que aumenta la fuerza entre las partículas.
Para su última pregunta, la forma en que se organizan las partículas es de una manera que tiene la energía mínima. En el caso de los sólidos, por ejemplo, tienden a organizarse en estructuras cristalinas. En el líquido, hay demasiada libertad para detectar una estructura en particular, pero puedes encontrar algunas regiones organizadas para un instante dado.
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