Кіріспе

Сұйықтық механикасының саласы, ол сұйықтықтарды тыныш күйде зерттейді. Сұйықтық статикасы немесе гидростатика – сұйықтықтарды гидростатикалық тепе-теңдікте және "сұйықтықтағы қысымды немесе сұйықтықтың батып кеткен дененің үстіне түсіретін қысымды" зерттейтін сұйықтық механикасының саласы. Ол сұйықтықтардың тұрақты тепе-теңдіктегі тыныш жағдайларын зерттейді, ал сұйықтық динамикасы – қозғалыстағы сұйықтықтарды зерттейді. Гидростатика – сұйықтық статикасының бір тармағы, ол сығымдалатын немесе сығымдалмайтын барлық сұйықтықтарды тыныш күйде зерттейді. Гидростатика – гидравликаның негізі, ол сұйықтықтарды сақтау, тасымалдау және пайдалануға арналған жабдықтарды жобалаумен айналысады. Сондай-ақ, ол геофизика мен астрофизикаға (мысалы, плиталардың қозғалысын және Жердің гравитациялық өрісінің аномалияларын түсінуде), метеорологияға, медицинаға (қан қысымымен байланысты) және көптеген басқа да салаларға қатысты. Гидростатика күнделікті өмірдегі көптеген құбылыстарды түсіндіруге көмектеседі, мысалы, атмосфералық қысымның биіктікке байланысты өзгеру себебі, ағаш пен майдың суда жүзуі және тыныш судың бетінің жердің қисығына сәйкес тегіс болуы.

Тарих

Гидростатиканың кейбір принциптері ежелгі заманнан бері кеме, цистерна, су құбырлары және фонтандарды салғандарға тәжірибелік және сезімдік тұрғыдан белгілі болған. Архимедке Архимед принципін ашқандығымен есімдері таныс, ол дененің сұйыққа батқандағы итеру күшін, дененің ығыстырған сұйығының салмағымен байланыстырады. Римдік инженер Витрувий оқырмандарына гидростатикалық қысымда қорғасын құбырларының жарылуы мүмкін екені туралы ескерткен. Қысым және оның сұйықтар арқылы таралуы туралы ұғымды француз математигі және философы Блез Паскаль 1647 жылы қалыптастырған.

Пифагор тостағаны

"Әдемі тостаған" немесе Пифагор тостағаны шамамен б.з.д. 6 ғасырға дейін соққан гидравликалық технология, оның ойлап табуы грек математигі және геометрі Пифагорға жатқызылады. Ол оқу құралы ретінде пайдаланылған. Тостағанның ішкі жағына ойылған сызықтан және тостағанның түбіне дейін жететін орталық тік құбырдан тұрады. Бұл құбырдың биіктігі тостағанның ішкі жағына ойылған сызықтың биіктігімен бірдей. Тостақанды сызыққа дейін толтырса, сұйықтық ортадағы құбырға өтпейді. Бірақ, егер сұйықтық мөлшері осы сызықтан асып кетсе, сұйықтық тостақанның ортасындағы құбырға ағып түседі. Молекулалардың бір-біріне әсер етуі салдарынан тостақан босап қалады.

Геронның су көзі

Геронның су көзі – Александриялық Герон ойлап тапқан құрылғы. Бұл құрылғыда сұйықтық резервуарынан берілетін сұйық ағынынан тұрады. Су көзі осылай құрылған, оның арқасында ағынның биіктігі резервуардағы сұйықтықтың биіктігінен асып түседі, бұл гидростатикалық қысым принциптеріне қайшы келеді. Құрылғы бір тесіктен және бірін жоғары бірі орналастырылған екі ыдыстан тұрады. Ортаңғы ыдыс герметикалық жабылып, сұйықтықпен толтырылады, сондай-ақ әртүрлі ыдыстарды байланыстыратын бірнеше канюла (сұйықтықты ыдыстар арасында тасымалдауға арналған кішкентай түтікшелер) орналасқан. Ыдыстар ішіндегі ауа қысымы нәтижесінде соплодан су ағыны шығып, ортаңғы резервуардағы судың барлығы толық босатылады.

Паскальдың гидростатикаға қосқан үлесі

Паскаль гидростатика және гидродинамика салаларының дамуына үлес қосты. Паскаль заңы – сұйық механикасының негізгі принципі, ол сұйықтың бетіне қолданылған кез келген қысым сұйықтың барлық жақтарына бірдей таратылады, нәтижесінде қысымның бастапқы өзгерістері өзгеріссіз қалады.

Тынық күйдегі сұйықтықтардың қысымы

Сұйықтықтардың негізгі қасиеттеріне байланысты, сұйықтық серпімді кернеудің әсері болғанда тыныш күйде қала алмайды. Дегенмен, сұйықтықтар кез келген жанасқан бетке перпендикуляр қысым түсіре алады. Егер сұйықтықтағы бір нүкте тым кішкентай куб ретінде қарастырылса, тепе-теңдік принциптері бойынша осы сұйық бірлігінің барлық жағындағы қысым тең болуы керек. Әйтпесе, сұйықтық туындаған күш бағытында қозғалады. Осылайша, тыныш жатқан сұйықтықтағы қысым изотропты болады; яғни, ол барлық бағытта бірдей күшпен әрекет етеді. Бұл ерекшелік сұйықтықтарға құбырлар немесе түтіктердің бойымен күшті таратуға мүмкіндік береді; яғни, құбыр ішіне сұйықтыққа қолданылған күш, сұйықтық арқылы құбырдың екінші ұшына жеткізіледі. Бұл принципті алғаш рет Блез Паскаль біршама кеңейтілген түрінде тұжырымдаған, және қазір ол Паскаль заңы деп аталады.

Медицина

Медицинада қан тамырларындағы гидростатикалық қысым – қанның тамыр қабырғасына түсіретін қысымы. Ол онкотикалық қысымға қарсы әрекет етеді. Капиллярларда гидростатикалық қысым (капиллярлық қан қысымы деп те аталады) капиллярдың артериолалық басындағы қандағы коллоидтық осмостық қысымнан жоғары болады – бұл негізінен циркуляциялық альбуминнің әсерінен туындайтын тұрақты қысым. Бұл қысым плазма мен қоректік заттарды капиллярлардан айналағы тіндерге итеріп шығарады. Тіндердегі сұйықтық және жасушалық қалдықтар капиллярдың венулалық басында капиллярға қайта сіңеді, онда гидростатикалық қысым ыдыстағы осмостық қысымнан төмен болады.

Су бетінде жүзу қабілеті

Кез келген дененің кездейсоқ пішінде болса да, ол сұйықтыққа жартылай немесе толық батырылған жағдайда, жергілікті қысым градиентіне қарама-қарсы бағыттағы таза күш әсер етеді. Егер бұл қысым градиенті гравитациядан туындаса, онда таза күш гравитация күшіне қарама-қарсы тік бағытта болады. Бұл тік күш, итеру күші немесе Архимед күші деп аталады және оның шамасы ығыстырылған сұйықтықтың салмағына тең, бірақ бағыты қарама-қарсы. Математикалық тұрғыдан алғанда:

мұнда ρ – сұйықтықтың тығыздығы, g – гравитациялық үдеу, ал V – қисық беттің үстіндегі сұйықтықтың көлемі. Мысалы, кемеде оның салмағы қоршаған судың қысымымен теңестіріледі, бұл оның су бетінде қалуына мүмкіндік береді. Егер кемеге қосымша жүк тиелсе, ол суға көбірек батып, көбірек суды ығыстырады – соның нәтижесінде салмақтың артуын тепе-теңдеу үшін күштірек итеру күшіне ие болады. Итеру күшінің принципін ашқандық Архимедке тиесілі.

Сұйықтар (бос беттері бар сұйықтар)

Сұйықтықтардың газдармен немесе вакууммен шектесетін бос беттері болуы мүмкін. Әдетте, серпімді деформацияға төтеп беру қабілетінің жоқтығы еркін беттердің тез арада тепе-теңдікке ұмтылуына себеп болады. Дегенмен, кішкентай өлшемдерде беттік кернеуден туындайтын маңызды тепе-теңдік күші бар.

Капиллярлық әрекет

Сұйықтықтар тиісті ұзындық өлшемдерімен салыстырғанда кішкентай габариттері бар ыдыстарға шектелген кезде, капиллярлық әсер арқылы жарты айдың (менсиск) пайда болуына себеп болатын беттік кернеу күштері маңызды рөл атқарады. Бұл капиллярлық әрекет биологиялық жүйелер үшін өте маңызды, себебі ол өсімдік ксилемасындағы су ағынының екі негізгі күштерінің бірі – транспирациялық тартымның құрамына кіреді.

Ұсталған тамшылар

Жер бетіндегі кернеу болмаса, тамшылар пайда бола алмайды. Тамшылардың мөлшері мен тұрақтылығы беттік кернеумен анықталады. Тамшының беттік кернеуі сұйықтықтың ұйысу қасиетіне тура пропорционалды.