3. Гидростатика, гидроаэродинамика

Вгидростатикеилигидроаэростатикерассматриваются условия и закономерности равновесия жидкостей и газов под воздействием приложенных к ним сил, а также условия равновесия твердых тел, находящихся в жидкостях или газах.

Гидроаэродинамикаизучает законы движения, а также взаимодействия жидкостей и газов с твердыми телами при их относительном движении.

Гидростатика и гидроаэродинамика основаны на двух фундаментальных физических законах.

Закон Архимеда: на тело, погруженное в жидкость, лействует выталкивающая сила, равная по модулю силе тяжести жидкости, вытесненной телом. Выталкивающая сила возникает из-за того, что значения гидростатического давления на разных глубинах неодинаковы.

Закон Паскаля: давление, производимое внешними силами на поверхность жидкости или газа, передается по всем направлениям без изменений. Такая передача давления происходит вследствие возможности молекул жидкости или газа свободно перемещаться относительно друг друга.

Напомним, что это движение полностью хаотично и в отсутствии силы тяжести или в состоянии невесомости давление во всех точках жидкости согласно закону Паскаля будет одинаковым. Соответственно, поэтому и "не работает" закон Архимеда в этих условиях. На основе закона Паскаля работают гидравлические прессы и подъемники, некоторые вакуумметры различного рода гидро- и пневмо- усилители.

3.1. Течение жидкости и газа

Упорядоченное движение вязкой жидкости (или газа) без междуслойного перемешивания называется ламинарным течением. При увеличении скорости потока возникающие в жидкости (или газе) случайные возмущения приводят к образованию хаотическоготурбулентного движения, при котором частицы жидкости (или газа) совершают неустановившиеся беспорядочные движения по сложным траекториям, в результате чего происходит интенсивное перемешивание жидкости (или газа). При ламинарном течении передача импульса от слоя к слою происходит за счет молекулярного механизма (вязкость), поэтому скорость потока в трубе плавно убывает от центра трубы к стенкам. При турбулентном потоке скорость почти постоянна по сечению трубы, резко убывая на самой границе жидкости (или газа) со стенкой трубы.

Для ламинарного режима справедливо уравнениеилизакон Бернулли(выведено Д. Бернулли в 1738 г.), которое выражает закон сохранения энергии движущейся жидкости и согласно которому полное давление в установившемся потоке жидкости остается постоянным вдоль этого потока и состоит извесового,статическогоидинамическогодавления. Отсюда следует, что при уменьшении сечения потока, из-за возрастания скорости, т.е. динамического давления, статическое давление падает. Закон Бернулли справедлив и для ламинарных потоков газа. Явление понижения давления при увеличении скорости потока лежит в основе работы различного рода расходомеров, водо- и пароструйных насосов.

Отметим, что уравнение Бернулли справедливо в чистом виде только для жидкостей, вязкость которых равна нулю, т.е. таких жидкостей, которые не прилипают к поверхности трубы. На самом деле экспериментально установлено, что скорость жидкости на поверхности твердого тела всегда в точности равна нулю. Именно поэтому на поверхностях, находящихся в потоке жидкости, всегда образуются наросты, осаждения, а на лопастях крутящегося вентилятора появляется слой пыли.

Вязкость– это свойство жидкости и газов, характеризующее сопротивление их течению под действием внешних сил. Вязкость объясняется движением и взаимодействием молекул. В газах расстояние между молекулами существенно больше радиуса действия молекулярных сил, поэтому вязкость газа определяется главным образом молекулярным движением. Между движущимися относительно друг друга слоями газа происходит постоянный обмен молекулами, обусловленный их непрерывным хаотическим (тепловым) движением.

Переход молекул из одного слоя в соседний, движущийся с иной скоростью, приводит к переносу от слоя к слою определенного количества движения. В результате медленные слои ускоряются, а более быстрые замедляются.

В жидкостях, где расстояние между молекулами много меньше, чем в газах, вязкость обусловлена в первую очередь межмолекулярными взаимодействиями, ограничивающими подвижность молекул. В жидкости молекула может проникнуть в соседний слой лишь при образовании в нем подходящей полости. На образование полости расходуется энергия активизациивязкого течения, которая падает с ростом температуры и понижением давления. По вязкости во многих случаях судят о готовности или качестве продукта, поскольку вязкость тесно связана со структурой вещества и отражает физико-химические изменения материала, которые происходят во время технологических процессов.

Протекание полярной непроводящей жидкости между обкладками конденсатора сопровождается некоторым увеличением вязкости. При снятии электрического поля эффект мгновенно исчезает. Это явление в чистых жидкостях получило названиевязкоэлектрического эффекта. Установлено, что эффект возникает только в поперечных полях и отсутствует в продольных. Вязкость полярных жидкостей возрастает с увеличением напряженности поля в начале пропорционально квадрату напряженности, а затем приближается к некоторому постоянному предельному значению (вязкости насыщения), зависящему от проводимости жидкости. Увеличение проводимости приводит к увеличению вязкости насыщения. На эффект оказывает влияние частота поля. В начале с повышением частоты вязкоэлектрический эффект увеличивается до определенного предела, затем вырождается до нуля.

Увеличение вязкости под действием электрического поля происходит за счет того, что в жидкости могут находиться или возникать под действием поля свободные ионы. Они становятся центрами ориентации полярных молекул, т.е. источниками заряженных групп, для которых в электрическом поле возможно движение типа электрофореза. Количество движения, таким образом, переносится от слоя к слою поперек потока.