В физике свободная поверхность — это поверхность жидкости, которая подвергается нулевому параллельному касательному напряжению , [1] например, поверхность раздела между двумя однородными жидкостями . [2] Примером двух таких однородных жидкостей может быть водоем (жидкость) и воздух в атмосфере Земли (газовая смесь). В отличие от жидкостей , газы не могут сами по себе образовывать свободную поверхность. [3] Псевдоожиженные / жидкие твердые вещества, включая суспензии , гранулированные материалы и порошки.может образовывать свободную поверхность.
Жидкость в гравитационном поле образует свободную поверхность, если не ограничена сверху. [3] При механическом равновесии эта свободная поверхность должна быть перпендикулярна силам, действующим на жидкость; в противном случае вдоль поверхности действовала бы сила, и жидкость текла бы в этом направлении. [4] Таким образом, на поверхности Земли все свободные поверхности жидкостей горизонтальны , если только они не возмущены (за исключением почти погруженных в них твердых тел, где поверхностное натяжение искажает поверхность в области, называемой мениском ). [4]
В свободной жидкости, на которую не действуют внешние силы, такие как гравитационное поле, роль играют только внутренние силы притяжения (например , силы Ван-дер-Ваальса , водородные связи ). Его свободная поверхность примет форму с наименьшей площадью поверхности для его объема: идеальную сферу . Такое поведение можно выразить через поверхностное натяжение . Это можно продемонстрировать экспериментально, наблюдая за большой каплей масла, помещенной под поверхность смеси воды и спирта, имеющей одинаковую плотность , так что масло имеет нейтральную плавучесть . [5] [6]
Если свободная поверхность жидкости возмущена, на поверхности возникают волны . Эти волны не являются упругими волнами из-за какой-либо упругой силы ; это гравитационные волны , вызванные силой тяжести, стремящейся вернуть поверхность возмущенной жидкости к ее горизонтальному уровню. Импульс заставляет волну проскакивать , тем самым вызывая колебания и распространяя возмущение на соседние участки поверхности. [4] Скорость поверхностных волн изменяется как квадратный корень из длины волны , если жидкость находится глубоко; поэтому длинные волны на море идут быстрее, чем короткие. [4]Очень мелкие волны или рябь возникают не из-за гравитации, а из-за капиллярного действия и имеют свойства, отличные от свойств более длинных поверхностных волн океана , [4] потому что площадь поверхности увеличивается из-за ряби, а капиллярные силы в этом случае велики. по сравнению с силами гравитации. [7] Капиллярная рябь гасится как подповерхностной вязкостью , так и поверхностной реологией .
Если жидкость находится в цилиндрическом сосуде и вращается вокруг вертикальной оси, совпадающей с осью цилиндра, свободная поверхность примет параболическую поверхность вращения , известную как параболоид . Свободная поверхность в каждой точке находится под прямым углом к действующей на нее силе, являющейся равнодействующей силы тяжести и центробежной силы от движения каждой точки по окружности. [4] Поскольку главное зеркало в телескопе должно быть параболическим, этот принцип используется для создания телескопов с жидким зеркалом .
Рассмотрим цилиндрический контейнер, заполненный жидкостью, вращающейся в направлении z в цилиндрических координатах, уравнения движения: