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會流動之物:密度與壓力

在寫下任何方程式之前,先認識整個主題所仰賴的兩個觀念:究竟是什麼讓某物成為流體、它的物質有多緊密,以及它如何推擠所接觸的一切。

什麼才算是流體?

環顧四周,世界大部分並非剛硬的。你呼吸的空氣、杯中的水、蜂蜜、血液、熔岩、整片海洋與大氣——它們都無法維持自己的形狀。傾斜杯子,水就流出;打開窗戶,空氣就湧入。任何會流動並依容器形狀而變的東西都是流體,而且——這常令初學者驚訝——它同時涵蓋液體氣體。

更深層的原因是:流體無法像固體那樣抵抗側向(剪切)的推力。橫向推磚塊的頂部,它仍是一塊磚;橫向推水面那一層,它就永無止盡地滑動下去。固體變形固定的量後就停止;而流體在任何剪切下(無論多微小)都會持續變形。這單一性質正是整個領域的種子。

密度:多少物質裝進多少空間

為什麼一小塊鉛製釣魚墜立刻下沉,龐大的鋼鐵輪船卻能浮著?答案不只在於重量,而在於物質被裝填得多緊密。我們用密度來衡量這種緊密程度:每單位體積所含的質量

\rho = \dfrac{m}{V}

密度(希臘字母 rho)等於質量除以體積。其 SI 單位是公斤每立方公尺,kg/m³。

水定下了尺度:\rho_{\text{water}} \approx 1000\text{ kg/m}^3(等於 1\text{ g/cm}^3)。常溫下空氣約為 1.2\text{ kg/m}^3——稀薄近千倍。鉛是 11{,}300\text{ kg/m}^3;金則是 19{,}300。密度是強度性質:一滴水與一整缸水的密度完全相同。它是材料的指紋,而非數量的指紋。

壓力:分攤在面積上的力

把手掌平貼在桌面上,什麼也不會發生。用完全相同的力去按一根圖釘,它卻會刺進木頭。一模一樣;改變的是它作用的面積。把力集中到極小的面積,效果就暴增;把它攤開——就像雪鞋把你的重量分散到鬆軟的雪上——它幾乎壓不出凹痕。這種每單位面積的力就是壓力

P = \dfrac{F}{A}

壓力等於垂直推向表面的力除以該表面的面積。其 SI 單位是帕斯卡:1 Pa = 1 N/m²。

帕斯卡是很小的單位——一牛頓(約一顆蘋果的重量)攤在整整一平方公尺上。因此真實的壓力數字都很大:大氣以約 101{,}000\text{ Pa} \approx 100\text{ kPa} 壓在你身上,汽車輪胎在此之上約再多 200\text{ kPa},而深海更達大氣壓的數百倍。我們之所以感覺不到空氣的壓迫,是因為它從四面八方、體內體外都均等地推著。

壓力朝每個方向推

以下這個性質使流體的行為與固體如此不同。在靜止流體內部的任一點,壓力朝各個方向均等地推——向上、向下、向兩側。壓力本身是單一數字(純量),沒有自己的方向;但只要流體碰到某個表面,它就會垂直地推向那個表面,力度由當地的壓力決定。

這種全方位的推力,解釋了氣球為何鼓成光滑的球形,以及沉入水中的物體為何從各面被擠壓。它也是後續一切的樞紐:正因壓力同時在每處作用,我們才能追問它如何隨深度增加(第 2 篇)、為何托起沉沒的物體(第 3 篇),以及當流體終於開始運動時會發生什麼(第 4、5 篇)。