- •1. Предмет гидравлики, основные понятия и методы
- •2. Основные физические свойства жидкостей. Идеальная и реальная жидкости
- •3. Определение вязкости жидкости. Вискозиметр Стокса.
- •4. Свойства жидкости. Капиллярность.
- •5. Эксплуатационные свойства рабочих жидкостей.
- •6. Изменение характеристик рабочих жидкостей в процессе эксплуатации
- •7. Силы, действующие в покоящейся жидкости.
- •8. Свойства гидростатического давления.
- •9. Основное уравнение гидростатики.
- •10. Закон Паскаля. Его техническое применение.
- •11. Приборы для измерения давления.
- •12. Системы отсчета давления (шкалы давления)
- •13. Закон Архимеда. Плавание тел.
- •14. Гидростатический парадокс.
- •15. Виды движения (течения) жидкости. Основные понятия траектория, линия тока, трубка тока, элементарная струйка.
- •16. Типы потоков жидкости, характеристики потоков: живое сечение, смоченный периметр, гидравлический радиус, расход, средняя скорость.
- •17. Уравнение неразрывности для элементарной струйки жидкости, потока жидкости в гидравлической форме.
- •18. Уравнение неразрывности движения жидкости.
- •19. Уравнение Бернулли для струйки идеальной жидкости.
- •20. Геометрическая интерпретация уравнения Бернулли.
- •21. Энергетическая интерпретация уравнения Бернулли.
- •22. Уравнение Бернулли для потока идеальной жидкости.
- •23. Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости.
- •24. Два режима течения жидкости, критерий Рейнольдса.
- •5.1. Ламинарный и турбулентный режим движения жидкости.
- •5.2. Физический смысл числа Рейнольдса
- •25. Возникновение турбулентного и ламинарного течения жидкости.
- •26. Связь давления и скорости в потоке
- •27. Сопротивление потоку жидкости.
- •28. Гидравлические потери по длине.
- •29. Ламинарное течение жидкости.
- •30. Вязкое трение при турбулентном движении жидкости.
- •31. Турбулентное течение в шероховатых трубах.
- •32. Гидравлические сопротивления в потоках жидкости
- •33. Классификация потоков жидкости. (спросить у препода)
- •34. Виды местных сопротивлений Внезапное расширение.
- •Внезапное сужение потока
- •Постепенное расширение потока
- •Постепенное сужение потока
- •35. Внезапное расширение потока. Теорема Борда – Карно. Внезапное расширение.
- •36. Внезапное сужение потока. Внезапное сужение потока
- •37. Гидравлические потери в диффузоре, конфузоре и при повороте потока.
- •38. Гидравлические потери по длине
- •39. Классификация трубопроводов
- •40. Истечение жидкости через малое отверстие в тонкой стенке.
- •41. Истечение жидкости через насадки.
- •42. Гидравлический удар в трубопроводах. Меры предупреждения.
- •43. Скорость распространения гидравлической ударной волны в трубопроводе.
- •44. Определение потерь при движении жидкости.
- •45. Причины возникновения местных сопротивлений.
- •46. Явление кавитации и борьба с ним.
- •47. Истечение жидкости через цилиндрический насадок.
- •5.5. Истечения через отверстия и насадки при переменном напоре (опорожнение сосудов)
- •48. Зависимость коэффициента Кориолиса от числа Рейнольдса.
2. Основные физические свойства жидкостей. Идеальная и реальная жидкости
Жидкостью называется физическое тело, обладающее свойством текучести, т. е. не имеющее способности самостоятельно сохранять свою форму. Жидкости, законы движения и равновесия которых изучаются в гидравлике, делятся на два класса: сжимаемые жидкости или газы, почти несжимаемые — капельные жидкости.
В гидравлике рассматриваются идеальные и реальные жидкости. Идеальной называется такая жидкость, между частицами которой отсутствуют силы внутреннего трения. Вследствие этого она не сопротивляется касательным силам сдвига и силам растяжения. Идеальная жидкость совершенно не сжимается — она оказывает бесконечно большое сопротивление силам сжатия. Такой жидкости в природе не существует —- это научная абстракция, необходимая для упрощения анализа общих законов механики применительно к жидким телам.
Реальная, или действительная, жидкость не обладает в совершенстве свойствами идеальной жидкости, она в некоторой степени сопротивляется касательным и растягивающим усилиям, а также отчасти сжимается. Для решения многих задач гидравлики этим отличнем в свойствах идеальной и реальной жидкостей можно пренебречь. В связи с этим законы, выведенные для идеальной жидкости, могут быть применены к жидкостям реальным с соответствующими поправками, а иногда даже без них.
СВОЙСТВА: плотность, удельный вес, упругость, вязкость, текучесть, сохранение объема, образование свободной поверхности и поверхностное натяжение, испарение и конденсация, кипение, смачивание, смешиваемость, диффузия, перегрев и переохлаждение.
ТЕКУЧЕСТЬ
Основным свойством жидкостей является текучесть. Если к участку жидкости, находящейся в равновесии, приложить внешнюю силу, то возникает поток частиц жидкости в том направлении, в котором эта сила приложена: жидкость течёт. Таким образом, под действием неуравновешенных внешних сил жидкость не сохраняет форму и относительное расположение частей, и поэтому принимает форму сосуда, в котором находится.
В отличие от пластичных твёрдых тел, жидкость не имеет предела текучести: достаточно приложить сколь угодно малую внешнюю силу, чтобы жидкость потекла.
СОХРАНЕНИЕ ОБЪЕМА
Одним из характерных свойств жидкости является то, что она имеет определённый объём (при неизменных внешних условиях). Жидкость чрезвычайно трудно сжать механически, поскольку, в отличие от газа, между молекулами очень мало свободного пространства. Давление, производимое на жидкость, заключенную в сосуд, передаётся без изменения в каждую точку объёма этой жидкости (закон Паскаля, справедлив также и для газов). Эта особенность, наряду с очень малой сжимаемостью, используется в гидравлических машинах.
Жидкости обычно увеличивают объём (расширяются) при нагревании и уменьшают объём (сжимаются) при охлаждении. Впрочем, встречаются и исключения, например, вода сжимается при нагревании, при нормальном давлении и температуре от 0 °C до приблизительно 4 °C. А, например, тормозная жидкость в автомобилях, сжимается очень плохо.
ПЛОТНОСТЬ
Под плотностью жидкости понимается масса единицы объёма жидкости:
где: М - масса жидкости,
W - объём, занимаемый жидкостью.
ВЯЗКОСТЬ
Вязкость. При движении реальных (вязких) жидкостей в них возникают внутренние напряжения, обусловленные силами внутреннего трения жидкости. Природа этих сил довольно сложна; возникающие в жидкости напряжения связаны с процессом переноса импульса (вектора массовой скорости движения жидкости). При этом возникающие в жидкости напряжения обусловлены двумя факторами: напряжениями, возникающими при деформации сдвига и напряжениями, возникающими при деформации объёмного сжатия.
Наличие сил вязкостного трения в движущейся жидкости подтверждается простым и наглядным опытом. Если в цилиндрическую ёмкость, заполненную жидкостью опустить вращающийся цилиндр, то вскоре придёт в движение (начнёт вращаться вокруг своей оси в том же направлении, что и вращающийся цилиндр) и сама ёмкость с жидкостью. Этот факт свидетельствует о том, что вращательный момент от вращающегося цилиндра был передан через вязкую жидкость самой ёмкости, заполненной жидкостью.
Вязкость — это свойство жидкости проявлять внутреннее трение при её движении, обусловленное сопротивлением взаимному сдвигу её частиц. В покоящейся жидкости вязкость не проявляется. Количественно вязкость может быть выражена в виде динамической или кинематической вязкости, которые легко переводятся одна в другую.
Капельные жидкости относятся к категории плохо сжимаемых тел. Причины незначительных изменений объёма жидкости при увеличении давления очевидны, т.к. межмолекулярные расстояния в капельной жидкости малы и при деформации жидкости приходится преодолевать значительные силы отталкивания, действующие между молекулами, и даже испытывать влияние сил, действующих внутри атома. Тем не менее, сжимаемость жидкостей в 5 - 10 раз выше, чем сжимаемость твёрдых тел, т.е. можно считать, что все капельные жидкости обладают упругими свойствами.
ОБРАЗОВАНИЕ СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ
Из-за сохранения объёма жидкость способна образовывать свободную поверхность. Такая поверхность является поверхностью раздела фаз данного вещества: по одну сторону находится жидкая фаза, по другую — газообразная (пар), и, возможно, другие газы, например, воздух.
Если жидкая и газообразная фазы одного и того же вещества соприкасаются, возникают силы, которые стремятся уменьшить площадь поверхности раздела — силы поверхностного натяжения. Поверхность раздела ведёт себя как упругая мембрана, которая стремится стянуться.
Поверхностное натяжение может быть объяснено притяжением между молекулами жидкости. Каждая молекула притягивает другие молекулы, стремится «окружить» себя ими, а значит, уйти с поверхности. Соответственно, поверхность стремится уменьшиться.
Поэтому мыльные пузыри и пузыри при кипении стремятся принять сферическую форму: при данном объёме минимальной поверхностью обладает шар. Если на жидкость действуют только силы поверхностного натяжения, она обязательно примет сферическую форму — например, капли воды в невесомости.
Маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила тяготения меньше силы, препятствующей увеличению площади поверхности.
ИСПАРЕНИЕ И КОНДЕНСАЦИЯ
Испарение — постепенный переход вещества из жидкости в газообразную фазу (пар).
При тепловом движении некоторые молекулы покидают жидкость через её поверхность и переходят в пар. Вместе с тем, часть молекул переходит обратно из пара в жидкость. Если из жидкости уходит больше молекул, чем приходит, то имеет место испарение.
Конденсация — обратный процесс, переход вещества из газообразного состояния в жидкое. При этом в жидкость переходит из пара больше молекул, чем в пар из жидкости.
Испарение и конденсация — неравновесные процессы, они происходят до тех пор, пока не установится локальное равновесие (если установится), причём жидкость может полностью испариться, или же прийти в равновесие со своим паром, когда из жидкости выходит столько же молекул, сколько возвращается.
КИПЕНИЕ
Кипение — процесс парообразования внутри жидкости. При достаточно высокой температуре давление пара становится выше давления внутри жидкости, и там начинают образовываться пузырьки пара, которые (в условиях земного притяжения) всплывают наверх.
СМАЧИВАНИЕ
Смачивание — поверхностное явление, возникающее при контакте жидкости с твёрдой поверхностью в присутствии пара, то есть на границах раздела трёх фаз.
Смачивание характеризует «прилипание» жидкости к поверхности и растекание по ней (или, наоборот, отталкивание и нерастекание). Различают три случая: несмачивание, ограниченное смачивание и полное смачивание.
СМЕШИВАЕМОСТЬ
Смешиваемость — способность жидкостей растворяться друг в друге. Пример смешиваемых жидкостей: вода и этиловый спирт, пример несмешиваемых: вода и жидкое масло.
ДИФФУЗИЯ
При нахождении в сосуде двух смешиваемых жидкостей молекулы в результате теплового движения начинают постепенно проходить через поверхность раздела, и таким образом жидкости постепенно смешиваются. Это явление называется диффузией(происходит также и в веществах, находящихся в других агрегатных состояниях).
ПЕРЕГРЕВ И ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЕ
Жидкость можно нагреть выше точки кипения таким образом, что кипения не происходит. Для этого необходим равномерный нагрев, без значительных перепадов температуры в пределах объёма и без механических воздействий, таких, как вибрация. Если в перегретую жидкость бросить что-либо, она мгновенно вскипает. Перегретую воду легко получить в микроволновой печи.
Переохлаждение — охлаждение жидкости ниже точки замерзания без превращения в твёрдое агрегатное состояние. Как и для перегрева, для переохлаждения необходимо отсутствие вибрации и значительных перепадов температуры.