Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Глава 1-2-3-4.doc
Скачиваний:
1
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
5.09 Mб
Скачать

1.4. Дифференциальные уравнения равновесия жидкости (уравнения л. Эйлера)

Рассмотрим равновесие элементарного прямоугольного параллелепипеда со сторонами dx, dy, dz, выделенного внутри покоящейся жидкости (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Элементарный объем жидкости

Предположим, что в точке А (центр тяжести параллелепипеда) действует гидростатическое давление p. Проведем через точку А горизонтальную линию MN, пересекающую грань 1-3-6-5 в точке М и грань 2-4-7-8 в точке N. С учетом непрерывности изменения давления в жидкости, т.е. функциональной зависимости, давление в точках М и N будет равно:

, (1.25)

где - изменение давления на расстоянии .

Сила гидростатического давления на грань 1-3-6-5 направлена по оси х (1-е свойство), т.е. положительна:

,

а сила гидростатического давления на грань 2-4-7-8 направлена в обратную сторону, т.е. отрицательна:

.

Проекция массовых сил на ось х будет равна произведению Gxdxdydz, где dxdydz=dm - масса параллелепипеда, Gx - проекция единичной массовой силы на ось х. С учетом 1-го свойства гидростатического давления уравнение равновесия параллелепипеда в проекции на ось х будет иметь вид

, (1.26)

откуда . (1.27)

Учитывая 2-е свойство гидростатического давления, точно так же можно получить уравнения для проекций равнодействующей поверхностных и массовых сил на оси y и z:

(1.28)

Уравнения (1.27), (1.28) могут быть переписаны так:

. (1.29)

Впервые эти уравнения были выведены членом Российской академии наук Л. Эйлером в 1755 г., и поэтому их называют уравнениями Эйлера.

Если систему уравнений (1.29) умножим на dx, dy, dz и сложим, то получим:

или . (1.30)

Так как гидростатическое давление является лишь функцией координат точек х, y, z (1.24), то левая часть уравнения (1.30) представляет собой полный дифференциал и может быть обозначена через dp, т.е.

dp = (Gxdx + Gydy + Gzdz). (1.31)

Система уравнений (1.29) или уравнение (1.31) позволяют описать закон распределения гидростатического давления в объеме жидкости.

Поверхность, в каждой точке которой давление постоянно, называют поверхностью уровня. Для такой поверхности справедливы условия:

p = const, dp = 0, тогда из формулы (1.31) следует:

Gxdx + Gydy + Gzdz = 0. (1.32)

Это и есть уравнение плоскости равных давлений.

Отметим, что свободные поверхности жидкости (поверхности раздела газ – жидкость) являются поверхностями равного давления (уровня).

1.5. Равновесие несжимаемой жидкости в поле сил тяжести

Будем полагать, что из массовых сил действуют только силы тяжести. Тогда составляющие массовой силы в направлении осей х и y равны нулю, т.е.

Gx = 0, Gy = 0.

Тогда из уравнений (1.29) при p = const следует:

.

Это может быть только в том случае, когда давление в плоскости xy постоянно, т.е.

p (x,y) = const . (1.33)

Следовательно, поверхности равного давления - горизонтальные плоскости, проходящие через однородную жидкость.

Определим величину проекции единичной массовой силы на ось z:

. (1.34)

Знак минус в равенстве (1.34) обусловлен тем, что ось z направлена вертикально вверх, а сила тяжести вниз, т.е. в противоположную сторону. Учитывая, что p = f(z), а также равенство (1.34), уравнение можно записать так:

.

Разделяя переменные и интегрируя, получаем

dp = - gdz; (1.35)

p = gz + C,

где C - постоянная интегрирования.

Представим уравнение (1.35) в следующем виде:

. (1.36)

Таким образом, в объеме однородной жидкости сумма величин z и в любой точке одна и та же. Полученное соотношение (1.36) называется основным уравнением гидростатики.

Предположим, имеется объем однородной жидкости (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Определение давления в точке, погруженной

в жидкость на глубину h

Плоскость сравнения 0-0 служит началом отсчета координаты z. Эту плоскость можно выбирать на любом уровне, но для всех точек она должна быть одна и та же. В соответствии с основным уравнением гидростатики

.

Из основного уравнения гидростатики можно получить формулу для определения давления в точке жидкости, находящейся на глубине h от поверхности. Предположим над свободной поверхностью (см. рис. 1.7) давление p0, тогда:

(1.37)

Таким образом, давление в любой точке покоящейся жидкости равно внешнему давлению (т.е. давление на поверхность), сложенному с весом столба жидкости высотой от поверхности до данной точки и с площадью основания, равной единице.

Из уравнения (1.37) следует, что при увеличении давления p0 на величину p для сохранения равенства левая часть уравнения, т.е. гидростатическое давление p в данной точке, также должна увеличиваться на p. Это справедливо для любой точки жидкости.

Закон Паскаля. Изменение давления в какой-либо точке покоящейся жидкости, не нарушающее ее равновесия, передается в остальные точки без изменения. На использовании этого закона основана работа ряда гидравлических машин, наиболее распространенной из которых является гидравлический пресс.