Силы, действующие на жидкость. Понятие давления

Жидкость в гидравлике рассматривают как непрерывную среду, заполняющую пространство без пустот и промежутков, т. е. отвле­каются от молекулярного строения жидкости и ее частицы, даже бесконечно малые, считают состоящими из большого числа молекул.

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

Массовые силы в соответствии со вторым законом Ньютона про­порциональны массе жидкости или, для однородной жидкости, — ее объему. К ним относятся сила тяжести и сила инерции переносного движения, действующая на жидкость при относительном ее покое в ускоренно движущихся сосудах или при относительном движении жидкости в руслах, перемещающихся с ускорением.

Поверхностные силы непрерывно распределены по поверхности жидкости и при равномерном их распределении пропорциональны площади этой поверхности. Эти силы обусловлены непосредственным воздействием соседних объемов жидкости на данный объем или же воздействием других тел (твердых или газообразных), соприкасаю­щихся с данной жидкостью. Как следует из третьего закона Ньютона, с такими же силами, но в противоположном направлении, жидкость действует на соседние с нею тела.

В общем случае поверхностная сила , действующая на пло­щадке , направлена под некоторым углом к ней, и ее можно разложить на нормальную F и тангенциальную T составляющие (рис. 1.2). Первая называется силой давления, а вторая — силой трения.

Рис. 1.2 Силы, действующие на жидкость.

Как массовые, так и поверх­ностные силы в гидромеханике рас­сматривают обычно в виде единич­ных сил, т. е. сил, отнесенных к соответствующим единицам. Массо­вые силы относят к единице мас­сы, а поверхностные к единице площади

Так как массовая сила равна произведению массы на ускорение, следовательно, единичная массовая сила численно равна соответствующему ускорению.

Единичная поверхностная сила, называемая напряжением поверхностной силы, раскладывается на нормальное и касательное напряжения.

Нормальное напряжение, т.е. напряжение силы давления, называется гидромеханическим, в случае покоя - гидростатическим давлением, или просто давлением, и обозначается буквой

Если сила давления равномерно распределена по площадке , то среднее гидромеханическое давление определяют по формуле

. (1.1)

В общем случае гидромеханическое давление в данной точке равно пределу, к которому стремится отношение силы давления к площади , на которую она действует, при уменьшении S до нуля, т.е.при стягивании ее к точке

(1.2)

Если давление р отсчитывают от абсолютного нуля, то его назы­вают абсолютным, а если отсчитывают от атмосферного давления р_а, т. е. от условного нуля, то его называют избыточным (р_изб) или мано­метрическим. Следовательно, абсолютное давление

(1.3)

За единицу давления в Международной системе единиц (СИ) при­нят паскаль — давление, вызываемое силой 1Н, равномерно распре­деленной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м². Наряду с этой единицей давления применяют укрупненные единицы: килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа):

В технике в настоящее время продолжают применять также си­стему единиц МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда), в которой за единицу давления принимается 1 кгс/м². Используют также вне­системные единицы — техническую атмосферу и бар

1 ат=1 кгс/см²=10000 кгс/м²; 1 бар = 10⁵ Па = 1, 02атм.

Соотношение между единицами давления в системах СИ и МКГСС следующее:

1 Па = 0,102 кгс/м² или 1 кгс/м² = 9,81 Па.

Касательное напряжение в жидкости, т. е. напряжение трения, обозначается буквой и выражается подобно давлению пределом

(1.4)

а размерность его та же, что и размерность давления.