1. Предмет гидравлики, основные понятия и методы

Гидравлика — это наука, которая изучает законы покоя и движения жидких тел и рассматривает их приложения к решению конкретных технических задач.

Гидравлика — одна из самых древних наук в мире, состоящая из двух разделов: гидростатики и гидродинамики. Гидростатика изучает законы равновесия (покоя) жидкости, гидродинамика — законы движения жидкостей.

Наиболее важными физическими свойствами жидкостей являются плотность, сжимаемость и вязкость. Плотностью жидкости называется количество вещества, содержащегося в единице объема.

Сжимаемость — способность жидкости уменьшать объем под действием внешних нагрузок. Вязкость — способность жидкости оказывать сопротивление относительному движению (сдвигу) частиц жидкости. Из других характеристик жидкости для пожарных важны свойства температурного расширения, парообразования и поверхностного натяжения. Температурное расширение — способность жидкости изменять объем под влиянием температуры.

Парообразование — способность жидкости переходить из жидкого в газообразное состояние. Процесс парообразования на поверхности жидкости, происходящий независимо от температуры и давления, называют испарением. Процесс парообразования в толще жидкости происходит при определенных температурах и давлении, и его называют кипением.

Поверхностное натяжение — способность жидкости образовывать устойчивую пленку на поверхности раздела с газом.

Напо́р, в гидравлике и гидродинамике — давление жидкости, выражаемое высотой столба жидкости над выбранным уровнем отсчёта. Выражается в линейных единицах.

Давление. Силы, действующие на жидкость, делятся на поверхностные (силы давления, внутреннего трения) и массовые (силы тяжести, инерции). Поверхностные силы, действующие на покоящуюся жидкость, распределены по ее граничным поверхностям и могут быть только нормальными (перпендикулярными) к этим поверхностям. Сила, действующая на единицу площади поверхности жидкости перпендикулярно к этой поверхности, называется гидростатическим давлением. Давление измеряют в паскалях (Па) или в метрах водяного столба (м вод. ст.). Паскаль — давление, вызываемое силой 1 Н, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 м2. Различают давление абсолютное, атмосферное и избыточное. Если при определении гидростатического давления принимают во внимание и атмосферное давление, действующее на свободную поверхность жидкости, то давление называют абсолютным.

Значение атмосферного давления зависит от высоты расположения места над уровнем моря. Например, атмосферное давление на уровне моря примерно равно 105 Па (10,33 м вод. ст.), на высоте 5,5—6 км — в 2 раза меньше.

Избыток абсолютного давления над атмосферным называют избыточным, или манометрическим, давлением. Давление меньше атмосферного — вакуум, или отрицательное избыточное давление.

В пожарной охране для измерения давления используют манометры и мановакуумметры. Основной деталью манометра является согнутая по дуге окружности полая трубка, имеющая в сечении овальную форму. Один конец трубки запаян. Измеряемое давление подводят внутрь трубки через ее открытый конец. Под действием давления трубка стремится выпрямиться за счет разности давлений на ее внешнюю и внутреннюю стороны. При выпрямлении стрелка манометра, связанная со свободным запаянным концом трубки через передаточный механизм, поворачивается на некоторый угол, пропорциональный величине измеряемого давления. Некоторые трубчатые манометры измеряют как избыточное давление, так и вакуум. Такие приборы называют мановакуумметрами. При разрежении пружинная трубка сжимается, что фиксируется передаточным устройством.

Расход. Движущийся поток жидкости имеет скорость v и давление Р. Поток считают установившимся, если скорость и давление в точках потока не изменяются во времени. Обычно расходом называют количество жидкости, протекающей через поперечное сечение потока F в единицу времени. В гидравлике обычно имеют дело с объемным расходом, который измеряют в литрах в секунду или в минуту (л/с, л/мин) или в кубических метрах в час (м3/ч).

Одним из прикладных разделов гидромеханики является гидравлика, которая решает определенный круг технических задач и вопросов. Прикладной характер этого раздела подчеркивает само слово «гидравлика», которое образовано из греческих слов hydor — вода и aulos — трубка. Поэтому гидравлика рассматривается как наука о законах равновесия и движения жидкостей и о способах приложения этих законов для решения практических задач.

Гидравлика изучает в первую очередь течения жидкостей в раз­личных руслах, т.е. потоки, ограниченные стенками. В понятие «рус­ло» мы будем включать все устройства, ограничивающие поток, в том числе трубопроводы, проточные части насосов, зазоры и дру­гие элементы гидравлических систем. Таким образом, в гидравли­ке изучаются в основном внутренние течения и решаются «внут­ренние» задачи.

Практическая гидравлика изучает течения как безнапорные — течения в открытых руслах (реки, каналы, водосливы), так и на­порные — в закрытых руслах (трубопроводы, насосы, элементы гидравлических систем). Вопросы течения жидкости в закрытых руслах с давлениями, отличными от атмосферного, приобрели осо­бую важность в современном машиностроении.