Intuition hinter hydrostatischer Kraft/Druck, der seitlich aufgebracht wird

Dies sieht aus der beschriebenen Sichtweise seltsam aus: Die Kraft von oben kann leicht als Folge der Masse der Wassersäule über dem Objekt angesehen werden, während Kräfte von anderen Seiten keinen so offensichtlichen Quellen zu entsprechen scheinen.

Tatsächlich wirken alle vier in der Abbildung dargestellten Kräfte auf eine Weise: durch ständiges Bombardement von Molekülen auf der Oberfläche des Objekts.

Auf mikroskopischer Ebene besteht das Wasser aus Wassermolekülen, und sie alle bewegen sich ständig, rasseln und kollidieren miteinander. Der Druck auf das Objekt entsteht durch die vielen sich bewegenden Moleküle, die auf die Oberfläche treffen und abprallen. Es handelt sich nämlich um einen Mittelungseffekt, der aber aufgrund der enorm großen Anzahl von Wassermolekülen auf makroskopischer Ebene nur als statischer Druck in Erscheinung tritt.

Beachten Sie, dass dieses Verständnis auch für die Kraft von oben gilt. Die Oberfläche des Objekts hat nur direkten Kontakt mit den Molekülen in seiner unmittelbaren Umgebung und kennt die Wassersäule darüber nicht.

Tatsächlich ist es nur ein Glück, dass man in dem in der Frage dargestellten Bild den Druck von oben richtig erhält, indem man ihn als von der Wassersäule oben verursacht betrachtet. Befindet sich das Objekt jedoch beispielsweise in der unteren Mitte eines U-förmigen Rohrs, das mit Wasser gefüllt ist, kann das Wasser direkt über dem Objekt physisch sehr gering sein, aber tatsächlich kann der Druck aufgrund der hohen Wasserstände sehr hoch sein an der Wasseroberfläche an den beiden Rohrenden.

Stellen Sie sich einen kleinen Flüssigkeitswürfel direkt neben dem untergetauchten Objekt vor, das Sie gezeichnet haben. Wie Sie vermuten, drückt das Gewicht der gesamten Flüssigkeit in einer Säule direkt über diesem kleinen Würfel auf die Oberseite des Würfels. Nach Newtons drittem Gesetz (gleiche und entgegengesetzte Reaktionen) drückt der kleine Würfel gleich stark auf die Säule – deshalb fällt die Säule nicht nach unten.

Trotz der Kraft, die auf seine Oberseite drückt, beschleunigt der Würfel nicht: Es gibt eindeutig eine ausgleichende Aufwärtskraft auf den Würfel. Das macht Sinn: Wenn Sie den Würfel an die Säule anhängen und einen neuen Würfel direkt darunter betrachten, ist das Bild genau das gleiche, aber mit dem Gewicht der Säule, das um den Wert eines Würfels erhöht ist. Der ursprüngliche Würfel erfährt an seiner Unterseite eine Aufwärtskraft, deren Größe seinem Gewicht plus der Abwärtskraft an seiner Oberseite entspricht. Soviel zur intuitiven Erklärung der Aufwärtskraft. Was ist mit den seitlichen?

Die Flüssigkeit ist statisch – der Würfel wird nicht zu einem Pfannkuchen zusammengedrückt, obwohl er keine Starrheit hat und es Kräfte gibt, die auf seiner Oberseite nach unten und auf seiner Unterseite nach oben drücken. Es müssen seitliche Kräfte vorhanden sein, um dieses Quetschen zu verhindern. Woher kommen diese Kräfte? Nun, die vier benachbarten Würfel, die neben den vier vertikalen Flächen unseres ursprünglichen Würfels sitzen, wollen aufgrund des Gewichts der Flüssigkeitssäulen, die auf ihren Köpfen sitzen, ebenfalls zu Pfannkuchen zerquetschen. Am Ende drücken sie gegeneinander und das Endergebnis ist, dass gerade genug horizontale Kraft vorhanden ist, dass keiner von ihnen zerquetscht wird.

Im linken Diagramm wird der Kolben mit der Feder auf natürlicher Länge gehalten. Es wird dann losgelassen und pendelt sich im Diagramm rechts ein. Die Feder steht dann unter Druck und zeigt an, dass aufgrund des Gewichts der roten Flüssigkeitssäule eine seitliche Kraft wirkt.

Ähnlich hier

Wieder wird die Feder zusammengedrückt und zeigt, dass auf den Kolben eine Kraft nach oben wirkt, obwohl sich darüber keine Flüssigkeit befindet.

1. Betrachten Sie die Wassermoleküle (oder andere sehr kleine Wasserbrocken).

2. Stellen Sie sich Druck nicht so vor, dass die Wassermoleküle auf Dinge drücken, sondern dass sie weitergedrückt werden und Kräfte auf sie wirken – die aus jedem Winkel kommen. Jedes Molekül sieht aus wie ein Ball, auf den Kräfte aus allen sechs Richtungen drücken.

3. Stellen Sie sich für Ihre Intuition vor, dass sich jedes Wassermolekül nicht bewegt*, also WIRD KEINE NETTOKRAFT AUF EIN WASSERMOLEKÜL AUSÜBEN . Die Summe der Kräfte ist Null.

4. Stellen Sie sich das Objekt so vor, als wäre es auf dem Stapel von Wassermolekülen darunter gestapelt. Die Moleküle müssen sich zurückdrängen oder von den anderen Kräften auf sie bewegt werden. Du könntest sagen: „Nein, sie könnten wegziehen und es sinken lassen.“ was passiert , wenn es dichter als Wasser ist. Aber auf die Moleküle neben dem Wasser darunter... wirken auch Kräfte, also kann es nicht passieren, dass sie einfach aus dem Weg gehen**.

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Tiefgestellte Hinweise:

*Das Wasser mag leicht aufgewühlt sein, aber keines der Wassermoleküle wird konsequent in eine Richtung und aus dem Weg zu einer anderen Stelle bewegt und hinterlässt einen leeren Raum. Es gibt keine Nettokraft, die Wasserbrocken an andere Stellen bewegt. Die Intuition ist also immer noch gültig.

**Warum sind die horizontalen Kräfte auf unser Molekül gleich den vertikalen Kräften? Dies liegt daran, dass es sich um eine Flüssigkeit handelt, wie ein Haufen winziger Sandstücke, wobei jedes Partikel: 1. vollkommen glatt ist (Wasserreibung widersteht nur unter Nettogeschwindigkeit, die Viskosität ist, aber statisch ist es das intuitive Äquivalent von vollkommen glatt) und 2. nicht perfekt übereinander gestapelt, was eine Vielzahl von Kraftvektoren erzeugt und elektrische Anziehung und Abstoßung als Dipole erfährt. Die einzige Möglichkeit, eine Nettobewegung zu vermeiden , besteht darin, dass alle Kräfte darauf in allen Richtungen im Durchschnitt gleich sind.

*** Die Summe der Kräfte, einschließlich der Schwerkraft , ist auf jedem Molekül Null. Bedeutet, dass die Kraft von unten geringfügig mehr ist als von oben, sodass der Druck mit der Tiefe kontinuierlich zunimmt.

Führen Sie hier ein einfaches Experiment durch:

1. Nimm eine kleine Dose.
2. Saugen Sie die Luft daraus ab.
3. Stellen Sie die Dose in einen mit Wasser gefüllten Behälter.

Was Sie feststellen sollten (wenn die Bedingungen günstig sind, das heißt, wenn die Dicke der Dose gering genug ist), ist, dass die Dose aus allen Richtungen, einschließlich seitlich, zerdrückt wird .

Dies zeigt deutlich, dass durch die Flasche ein seitliches Kraftpaar auf den Behälter ausgeübt wird.

Normalerweise treffen wir im Wasser nicht auf Dinge mit weniger Luftdruck, oder? Deshalb fühlt sich diese Seitenkraft für Sie so unintuitiv an. Es ist immer da, aber die beiden entgegengesetzten Kraftkomponenten heben sich normalerweise gegenseitig auf, außer in Fällen, in denen zwischen ihnen ein beträchtliches Vakuum / ein Hohlraum besteht.

Die Seitenkraft ist einfach eine Resultierende des konstanten Bombardements der Wassermoleküle gegen die Oberfläche des Objekts.

Für die Aufwärtskomponente kann man sich das als Widerstand der Wassermoleküle gegen die Abwärtskraft (Gewicht) des Objekts und der darüber liegenden Wassersäule vorstellen. Die Moleküle widersetzen sich einer Kraft, die ihre Verschiebung bewirken will.

Hoffe das beantwortet deine Frage!