13. Силы, действующие в жидкости.

Жидкость в гидравлике рассматривается как сплошная среда без пустот и промежутков. Вследствие текучести жидкости она не воспринимает сосредоточенные силы. Поэтому в жидкости действуют только распределенные силы, которые распределяются по всему объему или чаще по ее поверхности. Тогда объемные силы чаще называют массовыми, а по поверхности — поверхностными.

К объемным силам относят силы тяжести и силы инерции, они пропорциональны массе и подчиняются второму закону Ньютона (F=ma).

К поверхностным силам относят такие силы, которые воздействуют на жидкость соседних объемов или тела. И это воздействие осуществляется через поверхность.

Пусть на плоскую поверхность жидкости площадью А под произвольным углом действует сила R, которую можно разложить на тангенциальную составляющую Т и нормальную составляющую F. Силу Т называют силой трения и вызывает в жидкости касательные напряжения τ = T/A. Единицы измерения . Нормальная сила F называется силой давления и вызывает в жидкости нормальное напряжение сжатия. Нормальные напряжения называются гидромеханическим давлением.

Важным при расчете практической задачи является выбор системы отсчета (шкала давления). За начало шкалы может быть принят абсолютный ноль давления. При отсчете давления от этого нуля его называют абсолютным Р_абс. Но на практике пользуются избыточным давлением Р_изб, т.е. тогда за начало отсчета принимают атмосферное давление и его принимают за ноль.

Давление, которое отсчитывается «вниз» от атмосферного нуля называется давлением вакуума. Таким образом, существует 3 шкалы отсчета давления, т.е. давление может быть абсолютным, избыточным и вакуумным.

12. Гидравлика, основные понятия и методы.

Гидравлика — наука о законах движения и равновесии жидкостей и способах приложения этих законов к решению задач инженерной практики. Аэродинамика – наука, изучающая движение газообразных тел, а также взаимодействие их с твёрдыми телами и поверхностями. Жидкость – физическое тело, которое легко изменяет свою форму под действием самых незначительных сил. Удельный вес жидкости – вес единицы ее объема. Плотность – масса жидкости, заключённая в единицы объема, или отношение массы жидкости к ее объему. Вязкость – свойство жидкости оказывать сопротивление относительному движению частиц жидкости. Гидростатика – раздел гидравлики, изучающий законы равновесия жидкостей. Гидродинамика – раздел гидравлики, изучающий законы движения жидкости, а также взаимодействие между жидкостью и твёрдыми телами при их относительном движении. Гидравлический удар – колебательный процесс, возникающий в трубопроводе с жидкостью при внезапном изменении скорости ее движения.

Методы:

1. Аналитический. Цель применения этого метода – устанавливать зависимость между кинематической и динамической характеристиками жидкости. С этой целью пользуются уравнениями механики; в итоге получают уравнения движения и равновесия жидкости. Для упрощения применения уравнений механики пользуются модельными жидкостями: например, сплошная жидкость. По определению, ни один параметр сплошной жидкости не может быть прерывным, в том числе его производное, причем в каждой точке, если нет особых условий. Такая гипотеза позволяет установить картину механического движения и равновесия жидкости в каждой точке.

2. Экспериментальный. Основным приемом по этому методу является испарение моделей, согласно теории подобий: при этом полученные данные применяются в практических условиях, и становится возможным уточнение анализа результатов. Наилучшим вариантом является сочетание двух вышеназванных методов.

14. Давление, виды, единицы измерения.

Пусть на плоскую поверхность жидкости площадью А под произвольным углом действует сила R, которую можно разложить на тангенциальную составляющую Т и нормальную составляющую F. Силу Т называют силой трения и вызывает в жидкости касательные напряжения τ=T/A. Единицы измерения . Нормальная сила F называется силой давления и вызывает в жидкости нормальное напряжение сжатия. В гидравлике нормальные напряжения называются гидромеханическим давлением.

Важным при расчете практической задачи является выбор системы отсчета (шкала давления). За начало шкалы может быть принят абсолютный ноль давления. При отсчете давления от этого нуля его назыв. абсолютным . Но на практике пользуются избыточным давлением , т.е. тогда за начало отсчета принимают атмосферное давление и его принимают за ноль.

Давление, которое отсчитывается «вниз» от атмосферного нуля называется давлением вакуума. Таким образом существует 3 шкалы отсчета давления, т.е. давление может быть абсолютным, избыточным и вакуумным.

В технике распространение получила внесистемная единица 1атм=9,81

1бар= Па.

Абсолютное, избыточное, вакуумметрическое давление. Их взаимосвязь. В зависимости от выбора начала отсчета численное значение давления может быть разным. Различают абсолютное давление, отсчитываемое от абсолютного нуля, за который принимается давление в пустоте. Т.к. в жидкости действуют только сжимающие напряжения (давления), считается, что абсолютное давление может быть только положительным. Если величина давления отсчитывается от нуля, за который принято атмосферное давление Ро, то такое давление называется избыточным. Связь между абсолютным и избыточным давлением определяется уравнением: р_а = р₀ + р_изб

Очевидно, что избыточное давление может быть и положительным и отрицательным. Отрицательным избыточное давление будет тогда, когда абсолютное давление окажется меньше атмосферного. Такое давление

называется отрицательным избытком над атмосферой или вакуумом: р_вак = р₀ - р_а

15. Физические свойства жидкостей и газов.

Поскольку газ – следующее агрегатное состояние вещества, то у этих форм вещества существует свойство, общее для обоих агрегатных состояний. Это свойство текучести.

Исходя из свойств текучести, рассмотрим жидкое и газообразное агрегатное состояние вещества, увидим, что жидкость – то состояние вещества, в котором его уже невозможно сжимать (или можно сжать бесконечно мало). Газ – такое состояние того же вещества, в которое его можно сжать, то есть газ можно назвать сжимаемой жидкостью, точно так же, как и жидкость – несжимаемым газом. Другими словами, особых принципиальных различий, кроме сжимаемости, между газом и жидкостью не наблюдается. Несжимаемую жидкость, равновесие и движение которой изучает гидравлика, называют также капельной жидкостью.

Основные свойства жидкости:

1) Плотность жидкости. Если рассматривать произвольный объем жидкости W, то он имеет массу M. Если жидкость однородна, то есть если во всех направлениях ее свойства одинаковы, то плотность будет равна ρ=M/W, где M – масса жидкости. Если требуется узнать r в каждой точке А объема W, то , где D – элементарность рассматриваемых характеристик в точке А;

2) Сжимаемость. Характеризуется коэффициентом объемного сжатия. .

Из формулы видно, что речь идет о способности жидкостей уменьшать объем при единичном изменении давления: из-за уменьшения присутствует знак минус;

3) Температурное расширение. . Суть явления в том, что слой с меньшей скоростью «тормозит» соседний. В итоге появляется особое состояние жидкости, из-за межмолекулярных связей у соседних слоев. Такое состояние называют вязкостью. Отношение динамической вязкости к плотности жидкости называется кинематической вязкостью.

4) Поверхностное натяжение. Из-за этого свойства жидкость стремится занимать наименьший объем, например, капли в шарообразных формах.

Список свойств жидкостей, которые рассмотрены выше: текучесть, сжимаемость, плотность, объемное сжатие, вязкость, температурное расширение, сопротивление растяжению, свойство растворять газы, поверхностное натяжение.

16. Гидростатика, свойства гидростатического давления.

Гидростатика – раздел гидравлики, в котором рассматриваются законы равновесия жидкости и их практическое применение.

В покоящейся жидкости всегда присутствует сила давления, которая называется гидростатическим давлением. Жидкость оказывает силовое воздействие на дно и стенки сосуда. Частицы жидкости, расположенные в верхних слоях водоема, испытывают меньшие силы сжатия, чем частицы жидкости, находящиеся у дна.

Рассмотрим резервуар с плоскими вертикальными стенками, наполненный жидкостью (рис.2.1, а). На дно резервуара действует сила P равная весу налитой жидкости G = γ V, т.е. P = G.

Если эту силу P разделить на площадь дна S_abcd, то мы получим среднее гидростатическое давление, действующее на дно резервуара.

Гидростатическое давление обладает свойствами.

Свойство 1. В любой точке жидкости гидростатическое давление перпендикулярно площадке касательной к выделенному объему и действует внутрь рассматриваемого объема жидкости.

Свойство 2. Гидростатическое давление неизменно во всех направлениях.

Свойство 3. Гидростатическое давление в точке зависит от ее координат в пространстве.

Рис. 2.1. Схема, иллюстрирующая свойства гидростатического давления а - первое свойство; б - второе свойство