Теоретическая часть.
Вопрос 1. В чем отличие капельных жидкостей от твердых тел и газов? Каковы взаимосвязь между плотностью и объемным весом жидкости и каковы их размерности?
Ответ: Основными отличиями жидкости от твердых тел является текучесть, обусловленная малым сопротивлением внутренним касательным усилиям, жидкость не способна, в отличие от твердых тел сохранять свою форму. От газов жидкости отличаются такими свойствами как большая вязкость, малая сжимаемость, крайне малое изменение плотности при изменении давления.
Плотность и объемный вес связаны следующей зависимостью:
Вопрос 10. Как определить равнодействующую силу гидростатического давления жидкости на плоские стенки? Что называется центром давления и как определить его положение? Может ли центр давления находиться выше центра тяжести фигуры стенки и когда они совпадают?
Ответ: если плоская стенка подвергается одностороннему давлению жидкости, то результирующая P сил давления равна:
где pц.т. – давление в центре тяжести плоской фигуры (Рисунок 1.1);
ω – площадь плоской фигуры.
Также можно определить силу P, как объем эпюры распределения давлений.
Рисунок 1.1
Центр давления – это точка приложения результирующей силы.
Определить положение центра давления можно по следующим формулам:
где Jo – момент инерции плоской фигуры относительно оси, проходящей через её центр.
Глубина погружения центра давления:
где α – угол наклона плоской стенки.
Линия действия силы P проходит через центр тяжести эпюры распределения давлений
Данные формулы показывают, что центр давления будет всегда находиться ниже центра тяжести, это обусловлено тем, что чем глубже погружена точка, тем большее давление она испытывают.
Центр давления и центр тяжести совпадают в случае, когда стенка расположена горизонтально, т.е. α=0°.
Вопрос 14. Что такое линия тока, трубка тока и элементарная струйка, какими свойствами она обладает? в каком случае движения жидкости линии тока совпадают с траекториями частиц жидкости?
Ответ: Линия тока – кривая, проходящая через такие частицы, скорость которых в данный момент времени направлена по касательной к этой линии (рисунок 1.2)
Рисунок 1.2
Трубкой тока называется трубчатая поверхность бесконечно малого поперечного сечения, образованная системой линий тока, а жидкость, протекающая внутри этой трубки, называется элементарной струйкой (Рисунок 1.3)
Рисунок 1.3
Основными свойствами элементарной струйки являются:
1. Скорость и площади сечений элементарной струйки могут меняться вдоль струйки, скорости же в пределах одного сечения элементарной струйки вследствие малости площадки одинаковы.
2. Жидкость не может протекать через боковую поверхность элементарной струйки, так как на основании определения линии тока в любой точке поверхности элементарной струйки скорость направлена по касательной к поверхности.
Линии тока и траектории частиц жидкости совпадают только при установившемся движении.
Вопрос 20. Объясните понятия «гладкие» и «шероховатые» поверхности. Может ли одна и та же труба быть «гидравлически гладкой» и «гидравлически шероховатой» и в каких случаях?
Ответ: Гидравлически гладкая поверхность трубы имеет место в случае, когда ламинарный слой полностью перекрывает выступы микронеровностей. В этом случае потери потока не зависят от шероховатости трубы. Условие возникновения таких поверхностей (Рисунок 1.4, а):
«Гидравлически шероховатая» поверхность возникает тогда, когда выступы микронеровностей попадают в зону ядра турбулентного потока и становятся источниками дополнительных возмущений и очагами вихреобразований. Условие существования «шероховатых» поверхностей (рисунок 1.4 б):
Рисунок 1.4
Так как понятия гидравлически гладкой и шероховатой поверхности относительные, одна и та же труба при малых числах Рейнольдса может быть «гидравлически гладкой» и «гидравлически шероховатой» при больших числах Рейнольдса.