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流体力学在体育运动中,运动体都处于流体环境之中。很多情况下流体对人体或器械的影响是不能够忽略的。在陆上运动的人体或器械要在空气环境中通过。潜水运动员要在液体环境通过,游泳运动员则要在两种不同流体——水喝空气中通过。再如,大多数的球类运动、田径中的投掷项目,以及各种水中和水上运动等, 流体对人体或运动器械的阻力或动力效应相当明显。因此,要了解流体对运动技术的影响和作用的规律,必须掌握基本的流体力学知识。一、流体的主要物理性质及连续介质模型 1、流体及其易流动性: 凡是没有固定形状且易于流动的物体就称为流体。流体同固体间的根本差别在于流体具有流动性,而固体没有流动性。所谓流动性并不是指物体能否变形而言,因为所有固体在外力作用下都能发生变形。不过,在变形时,流体与固体所表现出的性质是截然不同的。固体受力作用发生变形时,产生一种和变形大小成正比的弹性力来阻止变形。当这个阻力增大到足以与外力相抵销时,变形便不再增大。所以,固体变形的大小与外加作用力有关,外加力愈大,变形愈大。反过来说,要得到较大的变形,就要用较大的力。对于固体,所需的力的大小完全决定于对变形的要求,而与发生变形的快慢无关。对于流体,却不是这样。流体变形(剪切变形)也产生阻力,但这种阻力与变形的快慢有关。要使流体很迅速地变形,需要用很大的力,而在用力的时间充分长,或者说,变形的过程相当慢时,任何细小的力(切向力)也能够使流体产生非常大的变形,产生流动。这种性质便称为流动性。流动性是所有流体所具有的共同特性。 2、流体的粘滞性: 流体流动时,由于液体分子间的内聚力,不同速度的流体之间相互滑动必然在层与层之间产生内摩擦力,这种力作为流体内力,总是等值反向的成对出现的,并分别作用在相邻的两层上。流体流动时内部产生内摩擦力的这种性质称为流体的粘滞性。 3、流体的可压缩性和不可压缩性: 流体力学包括液体力学和气体力学两部分。一般以水作为液体的代表,以空气作为气体的代表。因为液体对于体积变化有很大的抗拒力,所以一般将液体视为不可压缩流体,即流体的密度值为常数。气体对于体积变化的抗拒力较小,所以多被认为是不可压缩的,但在低速流动时,压差不大,在允许的精度下也可作为不可压缩流体来看待。例如,飞机的飞行速度在 100m/ s 一下时,飞机周围空气的密度变化不大,可视为常数。但是如果飞机的速度接近 300m/s ,即接近声速时,贴近机体的空气的压力和密度有明显变化,这时的空气就应作为可压缩性流体。因此, 在体育运动中,通常将所涉及的水和空气视为不可压缩的流体。 4、流体质点和连续介质模型( 1 )流体质点:就是流体中宏观尺寸非常小而微观尺寸又足够大的任意一个物理实体。流体质点具有下述四层含义: a)流体质点的宏观尺寸非常小。用数学用语来说就是流体质点所占据的宏观体积极限为零。如右图: b)流体质点的微观尺寸足够大。所谓微观尺寸足够大,就是说流体质点的微观体积必然大于流体分子尺寸的数量级,这样在流体质点内任何时刻都包含有足够多的流体分子,个别分子的行为不会影响质点总体的统计平均特性。如图: c)流体质点是包含有足够多分子在内的一个物理实体。在任何时刻流体质点都应该具有一定的宏观物理量。例如: x 0 y z·P V V’ VmV ??流体质点具有质量(质点所包含分子质量之和); 流体质点具有密度(质点质量除以质点体积); 流体质点具有温度(质点所包含分子热运动动能的统计平均值); 流体质点具有压强(质点所包含分子热运动互相碰撞从而在单位面积产生的压力的统计平均值)。流体质点还具有流速、动量、动能、内能等等宏观物理量。 d)流体质点的形状可以任意划定。质点和质点之间可以完全没有空隙,流体所在的空间中,质点紧密毗邻、连绵不断、无所不在。于是也就引出下述连续介质的概念。如图: ( 2)、 1753 年欧拉提出了“连续介质模型”假说,从而使流体力学研究摆脱了从流体分子运动层面上着手的繁琐困难的劳动,转而研究模型化了的连续流体介质。通过引进微分方程等强有力的数学工具,整个流体力学研究得到了飞速发展,这与引入连续介质模型是密不可分的。得出: 连续介质模型: 假定组成流体的最小物理实体是流体质点而不是流体分子,即:流体是由无穷多个、无穷小的、紧密毗邻、连绵不断的流体质点所组成的一种绝无间隙的连续介质。( 3)连续介质模型的重要性: 重要性在于流体中取任意小的一个微元部分,当该微团的体积无限缩小并以某一坐标点为极限时,流体微团就成为处在这个坐标点上的一个流体质点,、密度、压强、流速等等。因此,连续介质中流体质点的一切物理量必然都是坐标与时间(x, y, z, t) 变量的单值、连续、可微函数,从而形成各种物理量的标量场和矢量场(也称为流场) ,这样我们就可以顺利地运用