УМК МЖГ стр 1-76 Модуль 1-3_МЖГ

Значение постоянной интегрирования С определяется из известных граничных условий: р = р0 при z = z0. Подставляя эти условия в уравнение

Уравнение (3.8) называется основным уравнением гидростатики.

Уравнение (3.9) представляет вторую форму основного уравнения гидро- статики.

Основное уравнение гидростатики является математическим выра- жением закона распределения гидростатического давления в жидкости: гидростатическое давление в некоторой точке, погруженной на глубину h относительно свободной поверхности, равно сумме внешнего давления р0, действующего на свободную поверхность жидкости, и давления столба жидкости высотой, равной глубине погружения рассматриваемой точки h, с площадью основания, равной единице.

4. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ОСНОВНОГО УРАВНЕНИЯ ГИДРОСТАТИКИ

Ордината z рассматриваемой точки жидкости отсчитывается от про- извольной горизонтальной плоскости XOY, принятой в качестве коорди- натной. В гидравлике эту плоскость называют плоскостью сравнения, а от- считанную от нее координату z точки – геометрической высотой точки или геометрическим напором в данной точке жидкости.

Величина p / ρg имеет линейную размерность и представляет собой

геометрическую высоту, на которую поднимется жидкость под действием давления р. Указанную высоту можно измерить, если подсоединить к со- суду трубку, из которой полностью удален воздух. Жидкость в трубке поднимется на высоту p / ρg . Если трубка открыта и давление на свобод- ной поверхности равно атмосферному, то жидкость в трубке поднимется на высоту pизб / ρg , соответствующую избыточному давлению (рис. 3.5).

41

На этом законе основан принцип работы гидравлических машин. Рассмотрим одну из них.

Гидравлический пресс – это машина, которая используется для полу- чения больших усилий при прессовании, штамповке, испытании материа- лов и т.п. Она состоит из двух сообщающихся цилиндров с поршнями ма- лого d и большего D диаметров (рис. 3.8.). Первый соединен с рычагом, дающим дополнительный выигрыш в силе. Если к рычагу приложена си- ла Р0, то на малый поршень передается сила:

P = P × a .

1 0 b

43

2

P = P0 a × D × h. b d

Обычно h = 0,80 – 0,85. В современных гидравлических прессах раз- виваются усилия до 700 000 кН.

Графическое изображение давления. Графическое изображение изменения гидростатического давления вдоль плоской стенки в зависимо- сти от глубины называется диаграммой распределения давления, или эпю-

рой давления.

Как следует из основного уравнения гидростатики, давление вдоль какой-либо вертикальной стенки изменяется по линейному закону

p = p0 + r × g × h .

44

Если манометрическое давление в точке на глубине h1 (рис. 3.9.) рав- но pм1 = r × g × h1 , а в точке на глубине h2 равно pм2 = r × g × h2 , то:

рм1 = h1 . рм2 h2

45

Эпюра полного гидростатического давления изобразится трапецией (рис. 3.9), так как в каждой точке вдоль стенки абсолютное давление больше манометрического на величину р0. Эпюра давления строится со стороны жидкости и штрихуется по направлению действия давления. Каж- дый отрезок эпюры гидростатиче- ского давления в масштабе изо-

бражает направление давления в данной точке и его значение, на- пример отрезок СВ изображает манометрическое давление в точ-

ке В, а отрезок DB – полное гидро- статическое давление в той же точке.

На рис. 3.10 представлена эпюра манометрического давле- ния на стенку, наклоненную к го- ризонту под углом α. Ординаты эпюры давления всегда перпен- дикулярны площадке действия.

46

6. АБСОЛЮТНОЕ И МАНОМЕТРИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ. ВАКУУМ. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Применив основное уравнение гидростатики для двух точек, одна из которых расположена на свободной поверхности, получим:

или

p = p0 + g × r × (z0 - z) ,

где р0 – давление на свободной поверхности;

z0 – z = h – глубина погружения точки А (см. рис. 3.4).

Отсюда следует, что давление в жидкости увеличивается с глубиной погружения, а формула абсолютного гидростатического давления в точке покоящейся жидкости имеет вид:

Часто давление на свободной поверхности воды равно атмосферному давлению р0 = рат, в этом случае абсолютное давление определяется как:

а r × g × h называют избыточным давлением и обозначают ризб.

Избыточное давление определяется как разность абсолютного и ат- мосферного давлений:

pизб = pабс - рат = p0 + r × g × h - pат ,

при р0 = рат:

pизб = r × g × h

Абсолютное гидростатическое давление может быть меньше атмо- сферного, но всегда больше нуля. Избыточное давление может быть и больше, и меньше нуля.

Положительное избыточное давление называют манометрическим давлением рман:

pман = pабс - рат ,( рабс рат ) .

Манометрическое давление показывает, на сколько абсолютное дав- ление превышает атмосферное.

Отрицательное избыточное давление называют вакуумметрическим давлением рвак:

pвак = pат - рабс ,( рабс рат ) .

47

Вакуумметрическое давление показывает насколько абсолютное давление ниже атмосферного.

Практически наибольший вакуум в жидкости ограничен значением давления насыщенного пара жидкости при данной температуре.

на расстоянии, соответствующем атмосферному давлению, расположена плоскость, во всех точках которой рабс = рат (линия А-А). Таким образом, линия 0-0 является базой для отсчета абсолютного давления, а линия А-А – базой для отсчета манометрического давления и вакуума.

Если в точке С в жидкости абсолютное давление рабс(С) больше атмо- сферного, то расстояние от точки С до линии А-А будет равно манометриче- скому давлению рм(С) в точке С. Если в точке D в жидкости абсолютное дав- ление pабс(D) меньше атмосферного, то расстояние от точки D до линии А-А будет соответствовать вакуумметрическому давлению р(вак)D в точке D.

Приборы для измерения гидростатического давления можно подраз- делить на две группы: жидкостные и механические. В основе жидкостных приборов для измерения давления лежит принцип сообщающихся сосудов.

Простейшим жидкостным прибором для измерения давления являет- ся пьезометр. Пьезометр представляет собой прозрачную трубку диамет- ром не менее 5 мм (для избежания капиллярности). Один ее конец присое- динен к сосуду, в котором измеряется давление, а другой конец открыт. Схема установки пьезометра показана на рис. 3.12, а.

Абсолютное давление в сосуде в точке С присоединения пьезометра в соответствии с формулой (3.10*) составляет:

где hп – высота подъема жидкости в пьезометре (пьезометрическая высота). Из уравнения (3.11) находим, что:

h= рабс − рат = рм .

пρg ρg

48

С

Рис. 3.12. Схема установки пьезометров: а – для измерения давления в точке присоединения; б – для измерения давления в сосуде над свободной поверхностью

Таким образом, высота подъема жидкости в пьезометре определяется избыточным (манометрическим) давлением в точке С. Измерив высоту подъема жидкости в пьезометре, можно определить избыточное давление в точке его присоединения.

С помощью пьезометра можно определить давление р0 в сосуде над свободной поверхностью. Давление в точке С:

где hС – глубина погружения точки С относительно уровня жидкости в сосуде.

Из уравнений (3.11) и (3.12) находим:

р0 = рат + rg (hп - hс ) = ратм + rgDhп .

В этом случае для удобства определения разности hп – h С схема уста- новки пьезометра может быть такой, как на рис. 3.12, б.

Пьезометр является очень чувствительным и точным прибором, од- нако он удобен только для измерения небольших давлений; при больших давлениях трубка пьезометра получается, чрезмерно длинной, что ослож- няет измерения. В этих случаях применяют так называемые жидкостные манометры, в которых давление уравновешивается не той же жидкостью, что и жидкость, находящаяся в сосуде, как это имеет место в пьезометре, а жидкостью большего удельного веса; обычно такой жидкостью является ртуть. Так как удельный вес ртути больше удельного веса воды в 13,6 раза, то при измерении одних и тех же давлений трубка ртутного манометра оказывается значительно короче пьезометрической трубки и сам прибор получается более компактным.

49

Ртутный манометр (рис. 3.13) пред-

ставляет собой обычно U-образную стеклянную трубку, изогнутое колено которой заполняется ртутью. Под

действием давления р в сосуде уровень ртути в левом колене манометра понижается, а в правом – повышается. При этом гидростатическое давление в точке А, взятой на поверхности ртути в левом колене, по аналогии с предыдущим, определяется следующим образом:

рA = p + rж gh1 = pатм + rрт × g × hрт ,

где ρж и ρрт – плотности соответственно жидкости в сосуде и ртути. Отсюда:

p= pатм + rрт ghрт - rж gh1.

Втех случаях, когда необхо-

Таким образом, разность давлений определяется разностью уровней в двух коленах дифференциального манометра.

Для повышения точности измерений, а также при измерении незна- чительных давлений применяются микроманометры.

50