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身边的流动--流体力学
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2014-06-07
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什么是流体力学？
以上举的例子，都是我们身边的流动现象。那么，什么叫做流体力学？
流体力学是研究流体介质的对流、扩散，以及相伴的物理、化学、生物过程，导致质量、动量、能量输送的现象。
物质有四态，包括固体以及流体的三态——液态、气态和等离子体。随着温度升高、压力降低，可以从固态到液态，再从液态到气态，气态再到等离子体。等离子体是宏观中性的电离气体，美丽的极光就是等离子体。
流体跟固体的区别很清楚，但又不是绝对的，有种现象叫做流变行为，这是一种亦流亦固的现象。举个例子，如果在一个静止容器中有一种黏弹性流体，当它发生旋转时，就会沿着中间的旋转棒往上爬升。如果是纯流体的话，不可能发生爬竿效应，这种黏弹性流体之所以能够爬上来，是因为它具有的固体能够保持一定的形状缘故。流变现象有时还与时间尺度有关。比如冰川，短时间不会变形，但在十年、百年、千年的时间尺度上，冰川肯定是在流动的。
流体当中的最重要的现象就是对流。对流分两种情况：强迫对流和自然对流。强迫对流是靠外力来直接驱动的，例如：水泵、风机、河水、风生环流；自然对流没有外驱动力，是因密度差间接由重力而引起的流动，譬如烧水时，轻的流体在下面，重的流体在上面，就会发生上下翻滚的对流运动。在海洋当中，由于盐度和温度的不同，也会造成对流，我们把它叫做热盐环流。
流体的第二种现象是扩散，指两个相邻的、温度不一样或浓度不一样的流体团间的能量、质量、动量交换。一般情况下有两种流动状态：一种是非常有规则的层流，它的流线非常明显，不同层间的能量、物质、动量等都可以交换，主要靠我们看不见的分子无规运动。热量的传输会从高温到低温，浓度高的会向浓度低的物质传输，分子扩散相对比较慢一点。第二种是湍流扩散。坐过飞机的朋友都知道，经常有颠簸，是因为外面有湍流运动。它是流体团无规运动，而不只是分子的无规运动。一个分子、一个分子地交换比较慢，而携带带着能量、质量、动量的流体团间的交换要快得多，所以，湍流扩散可以是分子扩散的几百倍、上千倍。湍流交换有利有弊，一方面加快了燃料混合和污染物的扩散，另一方面，又增加了阻力。所以我们要充分利用这些特点来为人类服务。
流动当中还有两种现象，一个叫做涡，一个叫做波。热带气旋就是漩涡，今年美国的龙卷风很厉害，造成的人员伤亡严重；至于波动现象，是扰动在介质中的传播，如：海洋当中的风浪，是人们看不见的内波。在超声速流动中会有激波现象出现。
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