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质量力(只有重力)的情况:
fx=0,fy=0,fz=−g f_x = 0, \quad f_y = 0, \quad f_z = -g fx=0,fy=0,fz=−g -
压强微分方程:
dp=ρ(fxdx+fydy+fzdz) dp = \rho (f_x dx + f_y dy + f_z dz) dp=ρ(fxdx+fydy+fzdz) -
将质量力的分量代入压强微分方程,得到:
dp=−ρgdz dp = -\rho g dz dp=−ρgdz -
对上述方程积分,得到压强与深度的关系:
p=−ρgz+C p = -\rho g z + C p=−ρgz+C -
应用边界条件,当 z=0z = 0z=0 时,p=pap = p_ap=pa(大气压强或自由表面压强),求得积分常数 CCC:
C=pa C = p_a C=pa -
将边界条件代入压强方程,得到不可压缩流体在重力作用下的压强分布:
p=pa−ρgz p = p_a - \rho g z p=pa−ρgz -
或者,将上述方程改写为:
z+pρg=C z + \frac{p}{\rho g} = C z+ρgp=C -
流体静力学基本方程式,表示流体内部任意点的压强与自由表面压强和流体柱高度的关系:
p=pa+ρgh p = p_a + \rho g h p=pa+ρgh
其中 hhh 是流体柱的高度,也就是流体的“淹深”。
这个方程表明,在静止的不可压缩流体中,压强随着深度的增加而线性增加,增加的速率等于流体的重量密度(ρg\rho gρg)。