В физике, А свободная поверхность представляет собой поверхность жидкости, которая является объектом нулевого параллельного напряжения сдвига, такими как интерфейс между двумя однородными жидкостями. Примером двух таких однородных жидкостей является жидкая вода и воздух в атмосфере Земли. В отличие от жидкостей, газы не могут сами по себе образовывать свободную поверхность. Псевдоожиженные / жидкие твердые вещества, включая суспензии, гранулированные материалы и порошки, могут образовывать свободную поверхность.
Жидкость в гравитационном поле образует свободную поверхность, если она не ограничена сверху. При механическом равновесии эта свободная поверхность должна быть перпендикулярна силам, действующим на жидкость; в противном случае на поверхности будет действовать сила, и жидкость будет течь в этом направлении. Таким образом, на поверхности Земли все свободные поверхности жидкостей являются горизонтальными, если они не нарушены (кроме случаев, когда в них погружаются твердые тела, где поверхностное натяжение искажает поверхность в области, называемой мениском ).
В свободной жидкости, на которую не действуют внешние силы, такие как гравитационное поле, только внутренние силы притяжения играют роль (например, силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи ). Его свободная поверхность примет форму с наименьшей площадью поверхности для ее объема: идеальный шар. Такое поведение можно выразить через поверхностное натяжение. Это можно продемонстрировать экспериментально, наблюдая за большой каплей нефти, помещенной под поверхностью смеси воды и спирта, имеющей такую же плотность, поэтому нефть имеет нейтральную плавучесть.
Если свободная поверхность жидкости нарушена, на поверхности образуются волны. Эти волны не являются упругими волнами из-за какой-либо упругой силы ; они представляют собой гравитационные волны, вызванные силой тяжести, стремящейся вернуть поверхность возмущенной жидкости к ее горизонтальному уровню. Импульс заставляет волну перескакивать, таким образом колеблясь и распространяя возмущение на соседние части поверхности. Скорость поверхностных волн изменяется как квадратный корень из длины волны, если жидкость глубокая; поэтому длинные волны на море идут быстрее коротких. Очень мелкие волны или рябь возникают не из-за силы тяжести, а из-за капиллярного действия, и имеют свойства, отличные от свойств более длинных поверхностных волн океана, потому что поверхность увеличивается по площади из-за ряби, а капиллярные силы в этом случае велики по сравнению с гравитационные силы. Капиллярная рябь затухает как за счет подповерхностной вязкости, так и за счет реологии поверхности.
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, которая является результатом силы тяжести и центробежной силы от движения каждой точки по окружности. Поскольку главное зеркало телескопа должно быть параболическим, этот принцип используется для создания телескопов с жидкостным зеркалом.
Рассмотрим цилиндрический контейнер, заполненный жидкостью, вращающийся в направлении z в цилиндрических координатах, уравнения движения:
где - плотность жидкости, - радиус цилиндра, - угловая частота, - ускорение свободного падения. Если взять поверхность с постоянным давлением, общий перепад становится равным
Интегрируя, уравнение для свободной поверхности принимает вид
где - расстояние свободной поверхности от дна емкости по оси вращения. Если интегрировать объем параболоида, образованного свободной поверхностью, а затем вычислить исходную высоту, можно найти высоту жидкости вдоль центральной линии цилиндрической емкости:
Уравнение свободной поверхности на любом расстоянии от центра принимает вид
Если свободная жидкость вращается вокруг оси, свободная поверхность примет форму сплющенного сфероида : приблизительную форму Земли из-за ее экваториальной выпуклости.