ในทางฟิสิกส์พื้นผิวอิสระคือพื้นผิวของของเหลวที่อยู่ภายใต้แรงเฉือนขนานเป็นศูนย์[ 1 ^{]เช่นอินเตอร์} เฟซระหว่างของเหลวเนื้อเดียวกัน สองชนิด ^{[ 2 ]} ตัวอย่างของของเหลวเนื้อเดียวกันสองชนิดดังกล่าวได้แก่น้ำ (ของเหลว) และอากาศในชั้นบรรยากาศของโลก (ส่วนผสมของก๊าซ) ต่างจากของเหลวก๊าซไม่สามารถสร้างพื้นผิวอิสระได้ด้วยตัวเอง^{[ 3 ]}ของแข็งที่เป็นของเหลว/ ของไหล รวมถึง สารละลายข้นวัสดุเม็ดและผงอาจสร้างพื้นผิวอิสระ ได้

ของเหลวในสนามแรงโน้มถ่วงจะเกิดพื้นผิวอิสระหากไม่มีการจำกัดจากด้านบน^{[ 3 ]} ภายใต้สมดุลทางกลพื้นผิวอิสระนี้จะต้องตั้งฉากกับแรงที่กระทำต่อของเหลว หากไม่เป็นเช่นนั้นจะมีแรงตามแนวพื้นผิว และของเหลวจะไหลไปในทิศทางนั้น^{[ 4 ]}ดังนั้น บนพื้นผิวโลก พื้นผิวอิสระของของเหลวทั้งหมดจะเป็นแนวนอนเว้นแต่จะถูกรบกวน (ยกเว้นบริเวณใกล้ของแข็งที่จุ่มลงไปในของเหลว ซึ่งแรงตึงผิวจะทำให้พื้นผิวบิดเบี้ยวในบริเวณที่เรียกว่าเมนิสคัส ) ^{[ 4 ]}

ในของเหลวอิสระที่ไม่ได้รับผลกระทบจากแรงภายนอก เช่น สนามโน้มถ่วง แรงดึงดูดภายในเท่านั้นที่มีบทบาท (เช่นแรงแวนเดอร์วาลส์พันธะไฮโดรเจน ) พื้นผิวอิสระจะมีรูปร่างที่มีพื้นที่ผิวน้อยที่สุดต่อปริมาตร นั่นคือทรงกลม ที่สมบูรณ์แบบ พฤติกรรมดังกล่าวสามารถแสดงได้ในรูปของแรงตึงผิวสามารถสาธิตได้จากการทดลองโดยการสังเกตหยดน้ำมันขนาดใหญ่ที่วางอยู่ใต้พื้นผิวของส่วนผสมของน้ำและแอลกอฮอล์ที่มีความหนาแน่น เท่ากัน ดังนั้นน้ำมันจึงมีแรงลอยตัวเป็นกลาง^{[ 5 ] [ 6 ]}

ความเรียบหมายถึงรูปร่างของ พื้นผิวอิสระของ ของเหลวบนโลก ความเรียบของของเหลวเป็นฟังก์ชันของความโค้งของดาวเคราะห์ และจากตรีโกณมิติพบว่ามีความเบี่ยงเบนจากความเรียบที่แท้จริงประมาณ 19.6 นาโนเมตรต่อพื้นที่ 1 ตารางเมตรซึ่งความเบี่ยงเบนนี้ส่วนใหญ่เกิดจากผลของแรงตึงผิวการคำนวณนี้ใช้รัศมีเฉลี่ยของโลกที่ระดับน้ำทะเล อย่างไรก็ตาม ของเหลวจะเรียบกว่าเล็กน้อยที่ขั้วโลก^{[ 7 ] [ 8 ]} ในระยะทาง ไกล หรือระดับดาวเคราะห์ พื้นผิวของของเหลวที่ไม่ถูกรบกวนมีแนวโน้มที่จะสอดคล้องกับ พื้นผิว ศักย์เท่ากัน ตัวอย่างเช่นระดับน้ำทะเลเฉลี่ย จะสอดคล้องกับ จีออยด์โดย ประมาณ

หากพื้นผิวอิสระของของเหลวถูกรบกวน จะเกิด คลื่นขึ้นบนพื้นผิว คลื่นเหล่านี้ไม่ใช่คลื่นยืดหยุ่นเนื่องจากแรงยืดหยุ่น ใดๆ แต่เป็น คลื่น แรงโน้มถ่วงที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงที่พยายามดึงพื้นผิวของของเหลวที่ถูกรบกวนกลับคืนสู่ระดับแนวนอนโมเมนตัมทำให้คลื่นพุ่งเลยไปจึงเกิดการสั่นและกระจายการรบกวนไปยังส่วนที่อยู่ใกล้เคียงของพื้นผิว^{[ 4 ]}ความเร็วของคลื่นพื้นผิวแปรผันตามรากที่สองของความยาวคลื่นหากของเหลวมีความลึก ดังนั้นคลื่นยาวในทะเลจึงเคลื่อนที่เร็วกว่าคลื่นสั้น^{[ 4 ]}คลื่นหรือระลอกคลื่นขนาดเล็กมากไม่ได้เกิดจากแรงโน้มถ่วง แต่เกิดจากแรงดึงผิวและมีคุณสมบัติที่แตกต่างจากคลื่นพื้นผิวมหาสมุทร ที่ยาวกว่า [ 4 ] เนื่องจากพื้นที่ผิวเพิ่มขึ้นจากระลอกคลื่น และแรงดึงผิวในกรณีนี้มีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับแรงโน้มถ่วง^{[ 9 ] ระลอกคลื่นที่ เกิด} จากแรงดึงผิวจะถูกลดทอนลงทั้งจาก ความหนืด ใต้พื้นผิวและจากคุณสมบัติทางรีโอโลยีของ ^{พื้นผิว}

ถ้าของเหลวบรรจุอยู่ในภาชนะทรงกระบอกและหมุนรอบแกนแนวตั้งที่ตรงกับแกนของทรงกระบอก พื้นผิวอิสระจะมีลักษณะเป็นพื้นผิว พาราโบลา ที่เรียกว่าพาราโบลอยด์พื้นผิวอิสระที่แต่ละจุดจะตั้งฉากกับแรงที่กระทำต่อจุดนั้น ซึ่งเป็นผลรวมของแรงโน้มถ่วงและแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางจากการเคลื่อนที่ของแต่ละจุดเป็นวงกลม^{[ 4 ]}เนื่องจากกระจกหลักในกล้องโทรทรรศน์ต้องเป็นรูปพาราโบลา หลักการนี้จึงถูกนำมาใช้สร้างกล้องโทรทรรศน์ แบบกระจกเหลว

พิจารณาภาชนะทรงกระบอกที่บรรจุของเหลวและหมุนใน ทิศทางแกน zในระบบพิกัดทรงกระบอก สมการการเคลื่อนที่คือ:

${\displaystyle {\frac {\partial P}{\partial r}}=\rho r\omega ^{2},\quad {\frac {\partial P}{\partial \theta }}=0,\quad {\frac {\partial P}{\partial z}}=-\rho g,}$

โดยที่คือความดันคือความหนาแน่นของของเหลวคือรัศมีของทรงกระบอกคือความถี่เชิงมุมและคือความเร่งโน้มถ่วงเมื่อพิจารณาพื้นผิวที่มีความดันคงที่ อนุพันธ์รวมจะกลายเป็น ${\displaystyle P}$${\displaystyle \rho }$${\displaystyle r}$${\displaystyle \omega }$${\displaystyle g}$${\displaystyle (dP=0)}$

${\displaystyle dP=\rho r\omega ^{2}dr-\rho gdz\to {\frac {dz_{\text{isobar}}}{dr}}={\frac {r\omega ^{2}}{g}}.}$

เมื่อทำการอินทิเกรต สมการสำหรับพื้นผิวอิสระจะกลายเป็น

${\displaystyle z_{s}={\frac {\omega ^{2}}{2g}}r^{2}+h_{c},}$

โดยที่คือระยะห่างของผิวน้ำอิสระจากก้นภาชนะตามแนวแกนการหมุน หากเราทำการอินทิเกรตปริมาตรของพาราโบโลอิดที่เกิดจากผิวน้ำอิสระ แล้วแก้หาความสูงเดิม เราจะสามารถหาความสูงของของเหลวตามแนวเส้นศูนย์กลางของภาชนะทรงกระบอกได้: ${\displaystyle h_{c}}$

${\displaystyle h_{c}=h_{0}-{\frac {\omega ^{2}R^{2}}{4g}}.}$

สมการของพื้นผิวอิสระที่ระยะใดๆจากจุดศูนย์กลางจะเป็นดังนี้ ${\displaystyle r}$

${\displaystyle z_{s}=h_{0}-{\frac {\omega ^{2}}{4g}}(R^{2}-2r^{2}).}$

หากของเหลวอิสระหมุนรอบแกน พื้นผิวอิสระจะมีรูปร่างเป็นทรงรีแบนซึ่งเป็นรูปร่างโดยประมาณของโลกเนื่องจาก ส่วนที่โป่ง ออกบริเวณเส้นศูนย์สูตร^{[ 10 ]}

• ในอุทกพลศาสตร์พื้นผิวอิสระถูกกำหนดทางคณิตศาสตร์โดยเงื่อนไขพื้นผิวอิสระ [ ^{11 ] นั่น}คืออนุพันธ์ของวัสดุบนความดันเป็นศูนย์:$${\displaystyle {\frac {Dp}{Dt}}=0.}$$
• ในพลศาสตร์ของไหลกระแสน้ำวนบนพื้นผิวอิสระหรือที่รู้จักกันในชื่อกระแสน้ำวนศักย์หรือกระแสน้ำวน จะก่อตัวขึ้นในการไหลที่ไม่หมุน^{[ 12 ]}ตัวอย่างเช่น เมื่อระบายน้ำออกจากอ่างอาบน้ำ^{[ 13 ]}
• ในด้านสถาปัตยกรรมเรือและความปลอดภัยทางทะเลผลกระทบของพื้นผิวอิสระเกิดขึ้นเมื่อของเหลวหรือวัสดุเม็ดเล็ก ๆ ใต้พื้นผิวอิสระในถังหรือระวางบรรทุกที่บรรจุไม่เต็มเคลื่อนที่เมื่อเรือเอียง^{[ 14 ]}
• ในวิศวกรรมไฮดรอลิกเจ็ทผิวน้ำอิสระคือเจ็ทที่มีการดึงของเหลวภายนอกเจ็ทน้อยที่สุด ตรงข้ามกับเจ็ทจมน้ำซึ่งผลของการดึงมีนัยสำคัญ เจ็ทของเหลวในอากาศมีลักษณะคล้ายเจ็ทผิวน้ำอิสระ^{[ 15 ]}
• ในกลศาสตร์ของไหลการไหลบนพื้นผิวอิสระหรือที่เรียกว่าการไหลในช่องเปิดคือการไหลของของเหลวที่ขับเคลื่อนด้วยแรงโน้มถ่วงภายใต้พื้นผิวอิสระ โดยทั่วไปคือน้ำที่ไหลอยู่ใต้อากาศในชั้นบรรยากาศ^{[ 16 ]}

• ผลกระทบพื้นผิวอิสระ
• แรงตึงผิว
• การเจริญเติบโตของฐานรองด้วยความร้อนจากเลเซอร์
• ระดับของเหลว
• การกระเด็น (กลศาสตร์ของไหล)
• พลวัตการกระฉอก
• เรียบูชินสกี โซลิด
• วิธีการคำนวณสำหรับการไหลบนพื้นผิวอิสระ
• กระแสน้ำ