Door Kevin Beck | Bijgewerkt op 24 maart 2022

Als we aan een vloeistof denken, stellen we ons vaak water in een glas voor, een beekje in een rivier of het gladde oppervlak van een vijver. Toch geeft de dagelijkse ervaring van een vloeistof niet het volledige wetenschappelijke beeld weer. Hieronder gaan we dieper in op wat een stof tot een vloeistof maakt, hoe deze zich gedraagt en waarom vloeistoffen ertoe doen – van techniek tot menselijke biologie.

States van materie:vast, vloeibaar, gas

Alle materie bestaat in een van de drie primaire toestanden. Vaste stoffen bestaan ​​uit dicht opeengepakte, regelmatig gerangschikte deeltjes die op hun plaats trillen. Gassen hebben ver uit elkaar geplaatste deeltjes die vrij bewegen en elk beschikbaar volume innemen. Vloeistoffen bevinden zich tussen deze uitersten:hun deeltjes bevinden zich dicht bij elkaar, maar hebben geen vaste vorm, waardoor ze kunnen stromen en zich kunnen aanpassen aan hun containers.

Wat is een vloeistof?

In de natuurkunde een vloeistof verwijst naar elke substantie die niet bestand is tegen vervorming. Deze overkoepelende term omvat zowel vloeistoffen als gassen. Vloeistoffen kunnen worden beschreven door dezelfde fundamentele vergelijkingen – met name de Navier-Stokes-vergelijkingen – ongeacht of de stof water of lucht is. Deze uniforme behandeling verklaart waarom een marathonloper net zo zorgvuldig met vochtverlies om moet gaan als een vliegtuigpiloot met de luchtstroom omgaat.

Belangrijke eigenschappen van vloeistoffen

Vloeistoffen worden gekenmerkt door drie brede categorieën van eigenschappen:

• Kinematische eigenschappen: snelheid, versnelling en het stromingsveld.
• Thermodynamische eigenschappen: temperatuur, druk, dichtheid, interne energie, specifieke entropie en specifieke enthalpie.
• Diverse eigenschappen: viscositeit (interne wrijving), oppervlaktespanning en dampspanning.

Deze eigenschappen bepalen alles, van hoe een druppel olie zich over een oppervlak verspreidt tot hoe lucht rond een vliegtuigvleugel stroomt.

Veelvoorkomende vloeistoffen in het dagelijks leven

Water en lucht domineren de dagelijkse discussies over vloeistoffen, maar een verscheidenheid aan andere vloeistoffen – olie, benzine, kerosine, oplosmiddelen en zelfs dranken – spelen een cruciale rol in de industrie en het dagelijks gemak. Veel van deze vloeistoffen zijn gevaarlijk; een goede opslag is essentieel om accidentele inname of blootstelling te voorkomen.

In het menselijk lichaam zijn vloeistoffen essentieel. Hoewel bloed vaste stoffen (cellen en eiwitten) bevat, gedraagt ​​de plasmacomponent zich als een vloeistof. Een goede hydratatie is essentieel voor atletische prestaties, maar toch lijden veel atleten nog steeds aan uitdroging, ondanks het veelvuldig tanken.

Vloeistofstroming en mechanica

Vloeistofmechanica bestudeert hoe vloeistoffen bewegen en interageren met hun omgeving. In tegenstelling tot vaste stoffen kunnen vloeistoffen afschuiven (vloeistoflagen glijden langs elkaar), waardoor verschijnselen als wervelingen en turbulentie ontstaan. De schuifspanning τ wordt berekend als:

τ =μ(du/dy)

waar μ is dynamische viscositeit en du/dy is de snelheidsgradiënt.

Twee kritische krachten in de aerodynamica en hydrodynamica zijn weerstand en lift:

• Slepen:FD =C_D ρ A (v^2/2)
• Lift:FL =C_L ρ A (v^2/2)

Hier ρ is de vloeistofdichtheid, A is het dwarsdoorsnedeoppervlak, v is snelheid, en C_D of C_L zijn vormafhankelijke constanten.

Vloeistoffen in de menselijke fysiologie

Water vormt ongeveer 60% van het lichaamsgewicht van een volwassene. Tweederde daarvan – ongeveer 40% van het totale lichaamsgewicht – bestaat uit intracellulair vocht; het resterende derde deel is extracellulaire vloeistof. Bloedplasma, het vloeibare deel van bloed, is verantwoordelijk voor ongeveer een kwart van de extracellulaire vloeistof, oftewel 5% van het totale lichaamsgewicht.

Voor een persoon van 70 kg (154 lb):

• Water in lichaam:0,60 × 70 kg =42 kg
• Extracellulaire vloeistof:~14 kg
• Bloedplasma:~3,5 kg
• Totaal bloedvolume:3,5 kg ÷ 0,60 ≈ 5,8 kg

Deze berekeningen illustreren het belang van het handhaven van de vochtbalans voor de gezondheid en prestaties.