1.1.3 Понятие о жидкости и классификация сил, действующих на нее
1.1.3.1 Понятие о жидкости
Жидкостями в гидравлике называют физические тела, которые легко изменяют свою форму при воздействии на них даже незначительных поверхностных и массовых сил.
Различают два вида условных жидкостей (Рис 1.1 и Рис 1.2):
капельные (несжимаемые) жидкости;
газообразные (сжимаемые) жидкости
Рис 1.1 Виды условных жидкостей в гидравлике
Капельные жидкости- это такая физическая среда которая в малых количествах при-нимает сферическую форму, а в больших количествах образует свободную поверхность.
Особенностью капельных жидкостей является то, что они мало изменяют свой объем при изменении давления и температуры, и теоретически считаются несжимаемыми. К капельным жидкостям относятся такие вещества, которые в стандартных условиях имеют агрегатное состояние – жидкость (вода, нефть,нефтянные продукты).
Рис 1.2 Схема демонстрации капельной (несжимаемой) и
Газообразной (сжимаемой) жидкости
Газообразные жидкости- это такая физическая среда, которая в обычных условиях представляет собой газообразное вещество. Газообразные жидкости способны к значитель-ному уменьшению своего объема под воздействием давления и температуры, а также к нео-граниченному расширению при отсутствии давления, то есть газы обладают большой степе-нью сжимаемости. К газообразным жидкостям относятся такие вещества, которые в стандар-тных условиях имеют агрегатное состояние – газ (азот, водород, гелий, кислород, воздух).
Несмотря на различие двух видов жидкостей, законы движения капельных жидкостей и газообразных при определенных условиях можно считать одинаковыми, когда скорости их движения значительно меньше скорости звука (М < 0,3).
В гидравлике принимается, что жидкость представляет собой сплошную среду. Для этого не обращается внимание на внутреннее молекулярное строение и движение в жидкости и рассматривается как движение элементарных объемов, достаточно больших по сравнению с расстояниями между молекулами, как движение непрерывной среды с непрерывно меня-ющимися физическами параметрами.
Такой прием рассмотрения движения жидкости открывает широкие возможности для использования дифференциальных и интегральных методов при решении задач гидравлики.
В гидравлике условно жидкость разделяют на идеальную и реальную.
Идеальная жидкость- это такая жидкость, которая не обладает внутренним трением, так как отсутствует свойство вязкости, а также отсутствует трение о стенки сосудов и трубо-проводов. Идеальная жидкость, кроме этого, обладает абсолютной несжимаемостью.
Идеальная жидкость введена в теорию гидравлики для облегчения и упрощения составления математических моделей, проведения расчетов и исследований.
Реальная жидкость- это жидкость, обладающая свойствами вязкости и сжимаемости.
1.1.3.2 Силы, которые воздействуют на жидкость
Так как жидкость в гидравлике рассматривается как сплошная непрерывная среда, за-полняющая все пространство без пустот и промежутков, то при этом не учитывается молеку-лярное строение вещества и среда даже в малых обьемах считается состоящей из большого числа молекул, а значит сплошной.
Вследствиие текущести жидкости, на нее не могут действовать сосредоточенные силы, а возможно лишь действие сил рассредоточенных по ее объему или поверхности.
В связи с этим силы, действующие на рассматриваемый объем, и являющиеся по отношению к нему внешними силами, условно разделяются на:
массовые;
поверхностные
Массовые силы-это такие силы, которые пропорциональны массе жидкого тела или объему для однородной жидкости.
К массовым силам относятся:
силы тяжести;
силы инерции
Силы тяжести-это такие силы, которые возникают под действием гравитационного ускорения и действуют на объем жидкости постоянно.
Силы инерции-это такие силы, которые действуют на объем жидкости под действием возникающих ускорений.
Поверхностные силы равномерно распределены по поверхности жидкости и пропор-циональны площади этой поверхности. Эти силы обусловлены непосредственным воздей-ствием соседних объемов жидкости на выделенный объем или же воздействием других тел (твердых или газообразных), соприкасающихся с данным жидким телом (Рис 1.3).
Пусть сосуд наполнен жидкостью. Если выделить внутри ее бесконечно малый объем жидкости, то на этот объем будут действовать силы со стороны соседних, таких же бесконеч-но малых объемов.
На свободную поверхность жидкости действует сила атмосферного давления. Кроме этого на жидкость действуют силы со стороны стенок сосуда.
Рис 1.3 Схема действия на жидкость поверхностных сил
В общем случае, на площадку ΔS действует поверхностная сила ΔR под некоторым уг-лом. Для удобства рассчетов и исследований силу ΔR раскладывают на нормальную силу ΔP и касательную силу ΔT.
Рис 1.4 Схема сил, действующих на объемы жидкости
Нормальная сила ΔP называется силой давления. Касательная сила ΔT называется силой трения.
В гидромеханике для удобства как массовые силы так и поверхностные силы обычно рассматриваются в единичных силах, то есть отнесенных к характерным размерам.
Массовые силы относятся к единице массы, а поверхностные к единице площади. По-этому единичная массовая сила численно равна ускорению (g или а), а единичная поверхно-стная сила численно равна напряжению поверхностной силы. Условно напряжение раскла-дывается на (рис 1.4):
нормальное;
касательное напряжение
Нормальным напряжением называется гидромеханическое давление или просто дав-лением, среднее его значение определяется по формуле:
p =
,
Н/м2
В общем случае давление в произвольнй точке жидкости равно пределу:
p
=
Касательное напряжение в жидкости определяется по формуле:
τ
=
Если давление отсчитывается от абсолютного нуля, то оно называется абсолютным.
Если давление отсчитывается от атмосферного давления, то оно называется относительным или избыточным (Рис 1.5).
В Международной системе единиц измерений (CI), за единицу давления принят Паскаль: 1Па = 1 Н/м2 = 10-3 кПа = 10-6 МПа
Рис 1.5 Схема определения давления в жидкости
В технике продолжает использоваться система единиц МКГСС, в которой за единицу давления принята: p = 1кГ/см2; 1Па = 0,102 кГ/см2; 1кГ/см2 = 9,81 Па