通识物理：理想流体与流管

总体上看，流体的“可压缩性”会使流体的形状在外力作用下轻易发生改变；而流体的“黏性”则会使得流体的流动规律具有显著的局部渐变性，而没有统一的整体特征，这些实际情况都会对我们研究流体的运动规律造成困难。因此，为了方便物理学家对流体进行力学建模研究，我们必须引入一个理想的流体模型，假设其“绝对不可压缩和完全没有黏性”，而这种特殊的假想流体就叫作“理想流体”。

然而，仅仅假设一个“理想流体”，并不能满足流体力学研究的建模需要。首先，流体是连续分布的物质，且各部分间容易发生相对运动，所以我们需要从流体中划出一定的研究区域。据此，物理学家们在沿着理想流体的流动方向上，假设了一根虚拟、无形的管道——“流管”。在任意时刻，流体质点都只能在流管内部流动，而不能穿越流管。就好比鱼儿无论多么活泼，都只能沿着河道游动，而不能越界（图5.2），这样我们就可以将研究对象明确为“流管中的流体”。同时，我们还规定在流管截面上的各质点单元的运动规律必须保持一致，从而避免流体各部分相对运动带来的影响。而根据流管的以上特征，流管中任意质点单元的流动轨迹显然都具有相同的流动规律，而这种质点单元在流管中流过的轨迹则被称为“流线”。流线上每一点的切线方向与流经该点的流体质点的速度方向相同。

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图5.2　流管的设计

最后，为了“理想流体”模型的稳定性和一致性，我们还特别规定：在确定的流管中，流体在确定时间内的流量必须是确定的，不能忽大忽小、随意变化，也就是“定常流动”。而当流体做“定常流动”时，流管中任何一点的压力、速度和密度等物理量都不随时间变化，流线的分布图样也不随时间变化。这样一来，我们就可以建立一个稳定的物理模型，对流管内理想流体的运动和力学规律进行研究了。