Fluid: значение термина в разных контекстах¶

Fluid (от лат. fluidus — «текучий») — многозначный термин, обозначающий текучую, подвижную субстанцию или свойство объекта изменять форму под воздействием внешних сил. В зависимости от области знаний термин применяется в физике, химии, технике, медицине и цифровых технологиях, сохраняя общий смысловой корень, связанный с текучестью и отсутствием жёсткой структуры.

¶Физика и механика сплошных сред

В физике термином «флюид» (устоявшееся русское написание) обозначают вещество, обладающее свойством текучести, то есть способное неограниченно деформироваться под действием приложенных напряжений, даже сколь угодно малых. К флюидам относятся жидкости и газы, а также плазма. В механике сплошных сред флюиды противопоставляются твёрдым телам, которые сопротивляются деформации сдвига.

Ключевой характеристикой флюида является вязкость — мера внутреннего трения, определяющая сопротивление течению. По соотношению вязкости и касательных напряжений выделяют ньютоновские флюиды, у которых вязкость постоянна при изменении скорости сдвига (вода, воздух, масла), и неньютоновские, у которых вязкость зависит от скорости деформации (кровь, полимерные растворы, суспензии). Неньютоновские флюиды, в свою очередь, делятся на псевдопластичные (вязкость падает с ростом скорости сдвига), дилатантные (вязкость растёт) и вязкопластичные, начинающие течь лишь после превышения предела текучести.

Описание движения флюидов составляет предмет гидродинамики и аэродинамики. Фундаментальными уравнениями являются уравнения Навье — Стокса, связывающие поле скоростей, давление и вязкость. Для описания течения используется число Рейнольдса — безразмерная величина, определяющая переход от ламинарного режима к турбулентному.

¶Историческое значение: флюид в физике XVIII—XIX веков

В истории науки термин «флюид» использовался для обозначения гипотетических невесомых субстанций, которыми в XVIII — начале XIX века объясняли тепловые, электрические и магнитные явления. Согласно теории теплорода, теплота представлялась как невесомый флюид, перетекающий от нагретых тел к холодным. Аналогично, электрические явления объяснялись существованием электрических флюидов — положительного и отрицательного, а магнитные — магнитного флюида. Французский физик Шарль Кулон в 1785 году сформулировал закон взаимодействия электрических зарядов, опираясь на представление о двух электрических флюидах. К середине XIX века эти теории были вытеснены термодинамикой и электродинамикой, однако сам термин сохранился в исторической науке.

¶Медицина и биология

В медицине термин «fluid» используется для обозначения биологических жидкостей организма. Различают внутриклеточную жидкость, составляющую около двух третей всей воды тела, и внеклеточную, включающую плазму крови, лимфу, спинномозговую жидкость и интерстициальную жидкость. Совокупность жидких сред организма обозначается термином «гуморальная среда». Нарушение баланса жидкостей приводит к состояниям дегидратации или отёкам. В клинической практике используется понятие «fluid resuscitation» — восполнение объёма циркулирующей жидкости при шоковых состояниях, ожогах и кровопотере.

В биологии клеточные мембраны описываются в рамках жидкостно-мозаичной модели, предложенной Сингером и Николсоном в 1972 году. Согласно этой модели, липидный бислой ведёт себя как двумерная жидкость, в которой белки и липиды обладают латеральной подвижностью. Текучесть мембраны — важный параметр, влияющий на функционирование рецепторов и транспортных белков.

¶Техника и промышленность

В технике под флюидами понимают рабочие тела, используемые для передачи энергии или тепла. Примерами служат гидравлические жидкости в системах управления, хладагенты в холодильных установках, теплоносители в ядерных реакторах. Отдельную категорию составляют буровые растворы (drilling fluids), применяемые при бурении скважин для охлаждения долота, выноса выбуренной породы и поддержания давления в стволе.

В нефтегазовой отрасли под флюидом понимают пластовую смесь — нефть, газ или воду, заполняющую поровое пространство горных пород. Изучение фильтрации пластовых флюидов составляет предмет гидродинамики пласта, а понятие флюидонасыщенности используется при подсчёте запасов углеводородов.

¶Цифровые технологии и веб-дизайн

В веб-разработке термин «fluid» применяется к адаптивным макетам, в которых ширина элементов задаётся в относительных единицах (процентах или долях) и плавно изменяется при изменении размера окна браузера. Противопоставляется фиксированной вёрстке с жёстко заданными пиксельными размерами. Fluid-дизайн является одной из основ отзывчивого (responsive) веб-дизайна, обеспечивающего корректное отображение страниц на устройствах с различной шириной экрана.

В программировании существует понятие «fluid interface» — стиль написания кода, при котором методы одного объекта возвращают сам объект, что позволяет выстраивать цепочки вызовов. Такой подход часто применяется в библиотеках для построения запросов к базам данных и в конфигурационных API.

¶Графика и анимация

В компьютерной графике термин «fluid simulation» обозначает численное моделирование течений жидкостей и газов. Алгоритмы, основанные на решении уравнений Навье — Стокса, применяются в системах трёхмерной анимации для создания реалистичных эффектов воды, дыма, огня и взрывов. Одним из пионеров в этой области стал Джос Стэм, предложивший в 1999 году стабильный метод моделирования флюидов, используемый в коммерческих пакетах (Houdini, Blender) и в реальном времени в компьютерных играх.

¶Интересные факты

• В эзотерических учениях XIX века термин «флюид» использовался для обозначения гипотетической «жизненной силы», якобы излучаемой человеком. Это значение сохранилось в слове «флюиды» в разговорной речи для обозначения неосознаваемого эмоционального влияния.
• Сверхкритический флюид — состояние вещества при температуре и давлении выше критической точки, при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазами. Сверхкритический диоксид углерода применяется для экстракции кофеина из кофейных зёрен.
• Жидкие кристаллы, используемые в дисплеях, сочетают свойства флюида (текучесть) и кристалла (упорядоченность молекул), что делает их отдельным классом материалов.

¶Источники

• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Гидродинамика. — М.: Наука, 1986.
• Бэтчелор Дж. Введение в динамику жидкости. — М.: Мир, 1973.
• Сингер С., Никольсон Г. Жидкостно-мозаичная модель строения клеточных мембран // Наука, 1972.
• Stam J. Stable Fluids // SIGGRAPH 1999 Proceedings.
• Маркотт И. Отзывчивый веб-дизайн. — М.: Манн, Иванов и Фербер, 2012.