Удельный объем

Удельный объем – физическая величина, равная отношению объема тела к его массе:

=V/ m,

где – удельный объем, м³/кг;

V – объем, м³;

m – масса, кг.

Плотность

Плотность – физическая величина, равная отношению массы тела к его объему:

ρ = m/V,

где ρ – плотность, кг/м³.

m – масса, кг;

V – объем, м³.

Удельный вес

Удельный вес – вес единицы объема тела:

= G/V = ρ g,

где γ – удельный вес, Н/м³;

G – вес тела в объеме V, Н;

g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с².

В отличие от плотности ρ удельный вес не является физической характеристикой тела, так как зависит от места измерения.

Энергия

Энергия – это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи.

Энергия независимо от конкретных форм проявления обозначается Е. За единицу энергии в СИ принят д ж о у л ь (Дж). Джоуль – это энергия, затраченная системой при перемещении точки вследствие приложения силы 1 Н на расстояние 1 м в направлении действия силы, то есть 1 Дж = 1 Н ٠ 1 м. Вычислить абсолютное значение энергии невозможно, так как нет ноля отсчета энергии. Такое положение не играет существенной роли для практики, потому что при исследовании энергообмена важна не абсолютная величина энергии, а ее изменение.

Часть I. Гидравлика

Г и д р а в л и к о й называют прикладную науку о законах равновесия и движения жидкостей и способах приложения этих законов к решению задач инженерной практики.

Жидкость

Жидкостью называется физическое тело, обладающее свойством текучести, то есть способностью изменять форму под действием сколь угодно малых сил.

Понятие «жидкость» включает в себя как капельные жидкости, так и газы. В небольших количествах вне сосуда жидкость (в обычном понимании) принимает форму капли, что и определило ее название. При силовом взаимодействии капельные жидкости почти не изменяют свой объем (то есть почти не сжимаются), но легко изменяют свою форму. Газы могут менять свой объем и форму под действием внешних и внутренних сил.

Жидкая частица

Жидкая частица – это физически бесконечно малый объем, в котором параметры сплошной среды сохраняют постоянные значения и не зависят от изменения объема.

Масса жидкой частицы неизменна, а объем и форма могут меняться.

Внешние и внутренние силы

Внешние силы – это силы, приложенные к частицам рассматриваемого объема жидкости со стороны жидкости, окружающей этот объем.

Внутренние силы – это силы, возникающие внутри жидкости в результате воздействия на нее внешних сил.

Массовые силы

Под массовыми понимают силы, непрерывно распределенные по массе (объему) жидкости и пропорциональные массе жидкости.

Примерами массовых сил являются сила тяжести и сила инерции.

Поверхностные силы

Под поверхностными понимают силы, которые непрерывно распределены по поверхностям и пропорциональны величинам площадей поверхностей, которые ограничивают объемы жидкости, а также мысленно выделены внутри объемов.

В общем случае поверхностная сила имеет две составляющие: нормальную силу давленияи касательную силу внутреннего трения Т.

Свободная поверхность

Свободная поверхность – это поверхность раздела между капельной жидкостью и внешней газообразной средой.

Сжимаемость жидкостей

Под сжимаемостью понимают свойство жидкости изменять свой объем (и плотность) при изменении давления.

Вязкость

Вязкость (или внутреннее трение) – свойство капельных жидкостей и газов оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.

Закон внутреннего трения Ньютона

Законом внутреннего трения Ньютона называют выражение вида: T =

где T – cила внутреннего трения, возникающая между слоями жидкости, движущимися с разными скоростями;

dY_x – изменение скорости течения при удалении на расстояние dn от поверхности слоя в перпендикулярном к нему направлении;

–модуль градиента скорости;

S – площадь поверхности слоя жидкости.

Ньютоновские и неньютоновские жидкости

Ньютоновскими принято называть жидкости, которые при своем течении строго подчиняются закону внутреннего трения Ньютона. Все иные жидкости относят к неньютоновским.

Именно ньютоновские жидкости являются объектом исследования в гидравлике. Поведение неньютоновских жидкостей рассматриваются в науке, которая называется р е о л о г и е й.

1. Гидростатика

Гидростатика – раздел гидравлики, в котором изучаются условия и

закономерности равновесия жидкостей под действием приложенных к ним сил, а так же воздействие покоящихся жидкостей на погруженные в них твердые тела и стенки сосудов.

Абсолютный покой жидкости

Под абсолютным покоем понимают неподвижность жидкости относительно содержащего ее сосуда, когда сам сосуд не движется относительно земли.

Относительный покой жидкости

Под относительным покоем понимают неподвижность жидкости относительно содержащего ее сосуд, в то время, когда сам сосуд находиться в движении относительно земли.

Внешнее поверхностное давление

Давление на свободной поверхности жидкости называют внешним поверхностным давлением. Его обозначают р₀ .

Сила гидростатического давления

Сила гидростатического давления (абсолютного или избыточного), действующая на плоскую твердую стенку – это равнодействующая элементарных сил соответствующего гидростатического давления, действующих на эту стенку.

Она равна величине гидростатического давления в центре смоченной поверхности стенки, умноженной на площадь этой поверхности. Силу гидростатического давления обозначают Р и выражают в ньютонах (Н).

Центр давления

Центр давления – это точка пересечения линии действия силы абсолютного гидростатического давления с плоскостью, в которой лежит воспринимающая эту силу стенка.

Эпюра гидростатического давления

Эпюра гидростатического давления (абсолютного или избыточного), действующего на смоченную поверхность стенки – это объемная фигура, отражающая характер распределения соответствующего давления на рассматриваемой поверхности.

Объем эпюры гидростатического давления равен силе гидростатического давления.

Открытый пьезометр

Открытый пьезометр – это прозрачная трубка небольшого диаметра, один конец которой открыт и сообщается с атмосферой, а второй конец присоединён к точке сосуда с капельной жидкостью, в которой измеряется избыточное давление.

Пьезометрическая высота

Высота столба жидкости в открытом пьезометре, который своим весом способен создать давление, равное избыточному давлению в рассматриваемой точке.

Обозначают пьезометрическую высоту h, а находят как

где p – абсолютное гидростатическое давление в точке;

p_a – атмосферное давление;

–удельный вес жидкости.

Закрытый пьезометр

Прозрачная трубка с запаянным одним концом, из которой откачали воздух, а другим концом подсоединили к точке сосуда с капельной жидкостью, в которой измеряют абсолютное гидростатическое давление.

Абсолютная пьезометрическая высота

Высота такого столба жидкости в закрытом пьезометре, который своим весом способен создать давление, равное абсолютному гидростатическому давлению в рассматриваемой точке.

Абсолютная пьезометрическая высота h_а = .

Геометрически напор

Геометрический напор (геометрическая высота или удельная потенциальная энергия положения) – это потенциальная энергия положения жидкой частицы, отнесенная к единице ее веса.

Обозначают геометрический напор , выражают в метрах (м). Из определения следует:

где Е_п.пол – потенциальная энергия положения жидкой частицы;

G – вес жидкой частицы.

Абсолютный пьезометрический напор

Абсолютный пьезометрический напор – это потенциальная энергия давления жидкой частицы, приходящаяся на единицу ее веса.

Обозначают абсолютный пьезометрический напор , выражают в

метрах (м). Из определения следует:

=,

где p – абсолютно давление;

=– удельный вес жидкости;

–потенциальная энергия давления жидкой частицы;

G – вес жидкой частицы.

Полный гидростатический напор

Полный гидростатический напор – это полная потенциальная энергия, отнесенная к единице веса жидкости.

Обозначают полный гидростатический напор через Н_ст и вычисляют как Н_ст = z+ .

Основные уравнения гидростатики

Основное уравнение гидростатики выражает закон сохранения и превращения энергии для случая абсолютного покоя несжимаемой жидкости в гравитационном поле при неизменной величине ускорения свободного падении.

Форма записи: z += const и p = p₀ +,

где p₀ – внешнее поверхностное давление

весовое давление;

h – глубина погружения рассматриваемой точки под свободную по- верхность жидкости.

Основное уравнение гидростатики выражает зависимость гидростатического давления p в любой точке неподвижной несжимаемой капельной жидкости от внешнего поверхностного давления р₀ и глубины погружения в том случае, когда из массовых сил на нее действует одна сила тяжести.