1. Силы, действующие в жидкости. Давление

Вследствие текучести (подвижности частиц) в жидкости не действуют сосредоточенные силы, а толь­ко непрерывно распределенные по ее объему или поверхности. В связи с этим силы, действующие на объ­ем жидкости и являющиеся по отношению к ней внешними, разделяют на объемные (массовые) и поверх­ностные.

К объемным силам относятся силы тяжести и силы инерции, а к поверхностным — силы, обусловленные воздействием соприкасающихся с жидкостью тел (твердых или газообразных) или же соседних объемов жидкости

Далее более подробно остановимся на рассмотрении поверхностных сил, поскольку, согласно третьему закону Ньютона, жидкость действует на соприкасающиеся с нею тела с такими же силами, но в противополож­ном направлении.

* Задачи, связанные с внешним обтеканием тел сплошной средой, которое имеет место при движении твер­дого тела в жидкости или газе (воздухе), рассматривают в аэрогидромеханике.

В общем случае поверхностная сила R, действующая на площадке А, направлена под некоторым углом к ней, и ее можно разложить на нормальную Fи тангенциальную ^составляющие (рис. 1). Первая называется силой давления, а вторая — силой трения.

Рис.1. Разложение поверхностной силы на две составляющие

Массовые и поверхностные силы в гидромеханике рассматривают в виде единичных сил, отнесенных к единице массы и единице площади соответственно.

Таким образом, единичная поверхностная сила, называемая напряжением поверхностной силы, раскла­дывается на нормальное р и касательное напряжения t.

Нормальное напряжение, т.е. напряжение силы давления, называется гидромеханическим давлением, или просто давлением.

Давление. Давление является одним из важнейших физических параметров, используемым, как в расчет­ных целях, например для определения расхода, количества энергии жидкости, так и для контроля и прогнози­рования безопасных и эффективных гидравлических режимов работы элементов гидросистем.

Итак, давлением р называют отношение абсолютной величины нормального, т.е. действующего перпен­дикулярно к поверхности тела, вектора силы f к площади этой поверхности А.

Поскольку в международной системе единиц СИ единицей площади является м², а единицей силы — Н (ньютон), то единицей измерения давления будет Н/м². Эта единица носит название паскаль и обозначается Па:

1 Па = 1 Н/м².

Следует применять также производные от нее, такие как килопаскаль [кПа = 10³ Па], мегапаскаль [МПа = 10⁶ Па] и т.п.; в виде исключения используют бар [бар]:

1 бар = 10⁵ Па = 10² кПа = 0,1 МПа.

На практике давление могут измерять относительно двух различных уровней (рис. 2):

• уровня абсолютного вакуума, или абсолютного нуля давления — идеализированного состояния среды в замкнутом пространстве, из которого удалены все молекулы и атомы вещества среды;

• уровня атмосферного, или барометрического, давления (ГОСТ 8.271-77).

Атмосферным давлением называют давление атмосферного воздуха на находящиеся в нем предметы и на земную поверхность и обозначают р_атм. В каждой точке атмосферы атмосферное давление определяется весом вышележащего столба воздуха; с высотой его значение уменьшается. Атмосферное давление меняет­ся в зависимости от погодных условий и географического положения местности; на уровне моря его значение колеблется от 0,098 до 0,104 МПа (от 0,98 до 1,04 бар). Среднее значение р_агм составляет 0,101325 МПа (1,01325 бар).

Давление, измеряемое относительно абсолютного вакуума, называют абсолютным давлением р_абс (атмо­сферное давление — это абсолютное давление земной атмосферы).

Давление, которое больше или меньше атмосферного, но измеряется относительно атмосферного, назы­вают соответственно избыточным давлением р_тб или вакуумметрическим давлением р_вак (давлением разре­жения). Разность двух отличных от атмосферного давлений, одновременно измеряемых в различных процес­сах или двух точках одного процесса, называют дифференциальным давлением р_диф.

Диапазон давлений, измеряемых в технике, составляет 17 порядков: от 10^-8 Па — в электровакуумном оборудовании до 10³ МПа — при обработке металлов давлением.

Для прямого измерения избыточного давления с отображением его значения непосредственно на шкале, табло или индикаторе первичного измерительного прибора применяются манометры

Рис. 2. Системы отсчета давления

(ГОСТ 8.271-77). За ну­левую точку шкалы манометров принимают атмосферное давление.

Для измерения вакуума используют вакуумметры, шкала которых проградуирована от 0 до -1 бар. Прибо­ры, измеряющие вакуум и избыточное давление, называют мановакуумметрами. Дифференциальное давле­ние измеряют специальными дифференциальными манометрами.