กลศาสตร์ของไหล 1

ในชีวิตประจำวัน เราพบกับสิ่งที่เรียกว่าของไหลอยู่บ่อยครั้งเช่น น้ำที่เราดื่ม อากาศที่เราหายใจ ลมที่พัดประจำฤดู
ในทางฟิสิกส์ ของไหล คือ สสารที่สามารถเปลี่ยนรูปร่างไปตามภาชนะที่บรรจุได้ และ ไหลจากที่หนึ่งไปสู่อีกที่หนึ่งได้ ในเบื้องต้นฟิสิกส์แบ่งสสารได้เป็น 3 สถานะ ได้แก่ ของแข็ง ของเหลว และ แก๊ส โดยที่ของแข็งจะมีรูปร่างและปริมาตรแน่นอนหรือเปลี่ยนแปลงได้น้อยมากๆ ของเหลวเป็นสถานะที่มีปริมาตรแน่นอนแต่สามารถเปลี่ยนรูปร่างตามภาชนะที่ใส่ได้ และแก๊สมีรูปร่างและปริมาตรไม่แน่นอน เมื่อพิจารณาจากลักษณะของสสารแล้วจะเห็นได้ว่า มีสถานะ ของเหลว และ แก๊ส ที่เป็นของไหล นอกจากนี้ที่พลังงานสูงๆ สสารจะเปลี่ยนเป็นสถานะที่เรียกว่า พลาสมา ซึ่งก็ถือเป็นของไหลด้วยเช่นกัน

ความหนาแน่น

ความหนาแน่น คือปริมาณมวลต่อหน่วยปริมาตรของสสาร
เราสามารถเขียนเป็นสมการได้เป็น 

โดย  คือ ความหนาแน่น  คือมวล และ  คือ ปริมาตร ในระบบ SI ความหนาแน่นจะมีหน่วยเป็น  ดังนั้น หากเราทราบความหนาแน่น และ ปริมาตรของสสาร เราสามารถคำนวณมวลได้จาก 

น้ำหนัก  ของสสารจะสามารถคำนวณได้จาก

ตัวอย่างเช่น ถ้าเรามีวัตถุที่มีความหนาแน่น 100  หมายความว่า ถ้าเรามีวัตถุดังกล่าวเป็นปริมาตร 1 ลูกบาศก์เมตร วัตถุนั้นจะหนัก 100 กิโลกรัม

ความดัน

ความดันและแรงดันจะมีความเกี่ยวข้องกัน แต่ไม่ใช่
สิ่งเดียวกัน โดยที่ความดันคือ แรงที่กระทำตั้งฉากกับ
หนึ่งหน่วยพื้นที่ ซึ่งมีสมการเป็น 

โดยที่  คือความดัน  คือพื้นที่ และ  คือขนาดของแรงที่กดตั้งฉากกับพื้นที่ เราสามารถคำนวณขนาดแรงดันที่กระทำบนพื้นที่ จาก 

ในระบบ SI ความดันจะมีหน่วยเป็น  หรือ pascal (Pa) ดังนั้น 1 Pa = 1 

ความดันที่ระดับความลึกต่างๆ ในของไหล

แรงดันของของไหลจะกระทำต่อวัตถุที่อยู่ในของไหลในทิศตั้งฉากกับผิวของวัตถุ ในทุกทิศทาง ดังนั้นหากรูปพิจารณากล่องที่บรรจุของของเหลวดังรูปที่ 1 ที่ความลึก  จากผิวของเหลว เมื่อเราพิจารณาความดันต่อพื้นที่ A ตามนิยามจะได้ว่า น้ำหนักของของเหลวที่กดลงบนพื้นที่  และ ความดันสามารถเขียนได้เป็น 

 
 

จะเห็นได้ว่า ถ้าของเหลวเป็นชนิดเดียวกัน ความดันที่ระดับความลึกเท่ากันจะมีค่าเท่ากัน โดยไม่ขึ้นกับรูปร่างของของเหลวหรือภาชนะที่ใส่ 

ความดันเกจและความดันบรรยากาศ

อากาศนับเป็นของไหลด้วยเช่นกัน การที่เราอาศัยอยู่บนโลกที่ห่อหุ้ม ชั้นบรรยากาศ อากาศจะมีแรงดันกระทำต่อวัตถุในชั้นบรรยากาศในลักษณะคล้ายกับของเหลว แรงดันดังกล่าวเกิดจากน้ำหนักของอากาศที่กดทับวัตถุในชั้นบรรยากาศ
ค่าความดันจากอากาศที่ระดับน้ำทะเล ซึ่งมีค่าเท่ากับ 1.013×10⁵  หรือ 1 atmosphere (atm) ความดันบรรยากาศถูกใช้ในหน่วยที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับการใช้งาน

ความดันของของเหลวที่กระทำต่อวัตถุภายในของเหลว เรียกว่า ความดันเกจ (gauge pressure) ในการคำนวณเมื่อเรารวมค่าความดันจากบรรยากาศ  กับค่าความดันเกจ  เราเรียกว่า ความดันสัมบูรณ์ (absolute pressure) เขียนสมการได้เป็น 

การคำนวณความดันในรูปแบบอื่น

ความดันที่กระทำต่อผนังของเขื่อนจะสามารถคำนวณได้จากความดันเฉลี่ยที่ฐานเขื่อนกับความดันที่ระดับผิวน้ำ 

เราสามารถคำนวณแรงดันที่กระทำต่อผนังเขื่อนได้จาก

 
กรณีที่น้ำไม่เท่ากันสามารถคำนวณขนาดแรงลัพธ์ได้จาก