2 Гидростатика

2.1 Свойства гидростатического давления. Основное уравнение гидростатики

Гидростатикой называется раздел гидравлики, в котором рассматриваются законы равновесия жидкости и их практическое применение. В покоящейся жидкости возникают только напряжения сжатия и не могут действовать касательные напряжения, так как любое касательное напряжение жидкости вызовет ее движение, т.е. нарушит состояние покоя. В разделе 1 было показано, что напряжения сжатия вызывает сила, действующая перпендикулярно на бесконечно малую площадку. Отсюда вытекает первое свойство гидростатического давления: гидростатическое давление действует по нормали к поверхности и является сжимающим, то есть действует внутрь рассматриваемого объема.

Второе свойство гидростатического давления состоит в том, что в любой точке внутри покоящейся жидкости гидростатическое давление не зависит от ориентировки площадки, по которой оно действует, то есть одинаково во всех направлениях.

Исходя из этих свойств гидростатического давления, можно получить основное уравнение гидростатики. Пусть жидкость находится в сосуде, а на ее свободную поверхность действует давление р_а (рисунок 2.1). Определим давление р в произвольно выбранной точке, которая находится на глубине h.

Для определения искомого давления р вокруг произвольно выбранной точки возьмем бесконечно малую горизонтальную площадку ΔS и построим на ней цилиндр до открытой поверхности жидкости. На выделенный объем жидкости сверху вниз действуют сила, равная произведению давления р0 на площадь ΔS, и вес выделенного объема жидкости G. В выбранной точке искомое давление р действует по всем направлениям одинаково (второе свойство гидростатического давления). Но на выделенный объем создаваемая этим давлением сила

действует по нормали к поверхности и направлена внутрь объема (первое свойство гидростатического давления), т.е. сила направлена вверх и равна произведению р на площадь ΔS. Тогда условием равновесия выделенного объема жидкости в вертикальном направлении будет равенство

p ∙ ΔS - G - p₀ ∙ΔS = 0.

Вес G выделенного цилиндра жидкости можно определить, подсчитав его объем V:

G = V∙ p ∙g = ΔS∙ h ∙ ρ ∙ g.

Подставив математическое выражение для G в уравнение равновесия и решив его относительно искомого давления р, окончательно получим

p = p₀ + ρ g h. (2.1)

Полученное уравнение называют основным уравнением гидростатики. Оно позволяет подсчитать давление в любой точке внутри покоящейся жидкости как сумму давления p₀ на внешней поверхности жидкости и давления, обусловленного весом вышележащих слоев жидкости – ρ g h [1,3,5,7].

Величина р₀ является одинаковой для всех точек объема жидкости, поэтому, учитывая свойства гидростатического давления, можно сказать, что давление, приложенное к внешней поверхности жидкости, передается всем точкам этой жидкости и по всем направлениям одинаково. Это положение известно под названием закона Паскаля.

Давление жидкости, как видно из формулы (2.1), возрастает с увеличением глубины по линейному закону и на данной глубине есть величина постоянная. Поверхность, давление во всех точках которой одинаково, называется поверхностью уровня. В случае, когда на жидкость действует только сила тяжести, поверхности уровня представляют собой горизонтальные плоскости, при этом свободная поверхность является одной из поверхностей уровня.

Возьмем на произвольной высоте горизонтальную плоскость сравнения. Обозначив через z расстояние от этой плоскости до рассматриваемой точки, через z₀ – расстояние до свободной поверхности и заменив в уравнении (2.1) величину h на разность z – z₀, получим основное уравнение гидростатики в другой форме:

. (2.2)

Так как рассматриваемая точка выбрана произвольно, можно утверждать, что для любой точки неподвижного объема жидкости

.

Координата z называется геометрической высотой, величина р / ρg – пьезометрической высотой, а их сумма – гидростатическим напором. Таким

образом, гидростатический напор есть величина постоянная для всего объема неподвижной жидкости.

Основное уравнение гидростатики широко применяется для решения практических задач. Однако при его использовании в практических расчетах следует обращать особое внимание на высоту h, так как она может принимать как положительные, так и отрицательные значения.

Действительно, если точка, в которой определяется давление, располагается ниже точки с исходным давлением, то в математической записи основного закона гидростатики ставится знак «+», как в формуле (2.1). А в том случае, когда точка, в которой определяется давление, располагается выше точки с исходным давлением, в уравнении знак « + » изменяется на « - », то есть

р_о = р – ρ g h.

При выборе знака в основном законе гидростатики всегда следует помнить, что чем ниже (глубже) располагается точка в данной жидкости, тем больше давление в этой точке.

В заключение следует добавить, что основное уравнение гидростатики широко используется при измерении давлений.