- •Гидравлика (курс лекций) введение
- •1.1 Жидкости и их физические свойства
- •1.2 Модели жидкости
- •1.3 Силы, действующие в жидкости
- •Плотность распределения касательных сил
- •Контрольные вопросы
- •2.1. Гидростатическое давление и его свойство
- •Уравнения равновесия жидкости, заключенной в тетраэдре, в проекциях на оси координат имеют вид
- •2.2. Основное уравнение гидростатики
- •2.3. Дифференциальные уравнения равновесия жидкости
- •2.4. Решение дифференциальных уравнений равновесия жидкости для ряда частных случаев
- •2.4.1. Равномерное вращение сосуда с жидкостью
- •2.4.2. Прямолинейное движение сосуда с постоянным ускорением
- •После интегрирования получим .
- •2.4.3. Равновесие тела, плавающего на поверхности жидкости
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 3. Кинематика жидкости. Общие положения и определения. Расход. Уравнение расхода. Движение жидкой частицы. Понятие о вихревом и потенциальном движении. Ускорение жидкой частицы
- •3.1. Общие положения и определения
- •3.2. Расход. Уравнение расхода
- •3.3. Движение жидкой частицы. Понятие о вихревом и потенциальном движении
- •Угловая скорость будет
- •Дифференциальные уравнения вихревых линий
- •Тогда согласно (3.13) получим
- •3.4. Ускорение жидкой частицы Ускорение жидкой частицы можно представить в виде
- •Контрольные вопросы
- •3.1 Динамика невязкой жидкости
- •3.2 Уравнение бернулли для элементарной струйки идеальной жидкости
- •По аналогии с этим для элемента 2-2' получим
- •Тогда работа силы тяжести будет
- •Разделим это уравнение на dG и произведя сокращения, можем записать
- •4.2. Дифференциальные уравнения движения невязкой жидкости
- •Подставим эти выражения в уравнения вихревой линии
- •4.3. Уравнение бернулли для элементарной струйки невязкого газа
- •Отсюда . Тогда решение интеграла имеет вид:
- •Контрольные вопросы
- •Динамика вязкой жидкости
- •Напряжения в движущейся вязкой жидкости
- •5.2. Уравнение бернулли для элементарной струйки вязкой жидкости при установившемся движении
- •Т.К. Определитель равен нулю из-за пропорциональности первой и третьей строк (см. Уравнение (4.15)). После интегрирования будем иметь
- •Если из массовых сил действует только сила тяжести, получим
- •5.3. Уравнение бернулли для потока при установившемся движении вязкой жидкости
- •5.3.1. Удельная энергия потока
- •Далее можем записать
- •Расход жидкости через живое сечение потока
- •5.3.2. Уравнение бернулли для потока
- •7.1. Режимы течения жидкости в трубах. Опыты рейнольдса
- •6.4. Ламинарное течение
- •Решая совместно (6.26) и (6.21), получим
- •Сопоставляя (6.27) и (6.28), получим , т.Е. Эпюра угловых скоростей частиц аналогична эпюре касательных напряжений.
- •6.4.2. Начальный участок ламинарного течения
- •6.4.3. Ламинарное течение в зазоре
- •Тогда и формула закона распределения скоростей по живому сечению будет иметь вид
- •Тогда формула (1.18) для данного случая примет вид и после интегрирования будет
- •Тогда закон распределения скоростей имеет вид
- •Б) направление движения стенки противоположно течению жидкости (рис.6.10, б).
- •Если поршень расположен в цилиндре с эксцентриситетом е, то зазор а будет переменной величиной (рис.6.11,б):
- •6.5. Турбулентное течение
- • Ламинарный подслой; 2 переходный слой;
- •3 Турбулентное ядро
- •Контрольные вопросы
- •6.6. Местные гидравлические сопротивления
- •Тогда исходное выражение уравнения Бернулли примет вид
- •Учитывая закон сопротивления при ламинарном течении с поправкой на начальный участок, а также формулу Вейсбаха, выражение можно представить в виде
- •5.4. Общие сведения о гидравлических потерях
- •Контрольные вопросы
- •7.1. Истечение через малое отверстие в тонкой стенке при постоянном напоре.
- •В данном случае имеем
- •Множитель называется коэффициентом скорости.
- •Из выражения (7.5) коэффициент расхода равен
- •Исходя из этого уравнения, скорость истечения составит
- •7.2. Истечение через насадки при постоянном напоре
- •7.3. Истечение жидкости из резервуара при переменном напоре
- •Основной задачей, решаемой в этом случае, является определение времени опоражнивания резервуара от уровня н1 до н2.
- •Означает, что с уменьшением z объем вытекшей жидкости увели-чивается; dz - изменение уровня в резервуаре за время dt;
- •Отсюда имеем .
- •Контрольные вопросы
После интегрирования получим .
Рис.2.9. Схема движения сосуда с постоянным ускорением
Постоянную интегрирования С найдем, подставив в это уравнение параметры точки свободной поверхности. Имеем х = 0; z = zо и р = ро.
Тогда
, (3.35)
. (3.36)
2.4.3. Равновесие тела, плавающего на поверхности жидкости
Рассмотрим равновесие тела, погруженого в жидкость. При этом на тело будут действовать сила Архимеда и внешняя массовая сила
Точка, к которой приложена сила Архимеда называется центром давления.
Внешняя массовая сила приложена к центру масс рассматриваемого тела. Силы и , направлены вдоль одной прямой, но в разные стороны (рис. 2.10, а).
Если > , очевидно, что тело будет двигаться вниз и опуститься на дно. Если < , то тело будет двигаться вверх и всплывет на поверхность. Если = , то тело находится в равновесии в толще жидкости.
При условии, что центр давления D полностью погруженного в жидкость и находящегося в равновесии тела располагается выше центра масс С, то равновесие является устойчивым (рис. 2.10, б).
В этом случае, если вывести тело из равновесия, то пара сил создадут момент, возвращающее тело в исходное положение.
Если центр давления располагается ниже центра масс (рис. 2.10, в), то равновесие является неустойчивым и при небольшом отклонении тела от положения равновесия, возникающая пара сил создает опрокидывающий момент, способствующий большему отклонению тела от положения равновесия.
Рассмотрим равновесие тела, плавающего на поверхности жидкости (рис. 2.11).
Линия пересечения поверхности тела плоскостью уровня жидкости называется ватерлинией, а плоскость, в которой расположена ватерлиния – плоскостью плавания.
Нормаль к плоскости плавания, проходящая через центр масс C и центр давления D называется осью плавания.
Необходимым условием равновесия плавающего на поверхности жидкости тела является равенство веса тела архимедовой силе (G = P ).
В этом случае устойчивое равновесие возможно, когда центр давления расположен ниже центра масс.
Для определения условий устойчивого равновесия рассмотрим тело
(рис. 2.12), отклонившееся от положения равновесия на угол α. В этом случае на затопленную часть тела BOB/ действует дополнительная архимедова сила , а на осушенную часть – равная по величине силе , но противоположно направленная ей сила веса этой части.
В результате на выведенное из положения равновесия тело будут
действовать две пары сил ( и ), создающие опрокидывающий момент, и пара сил ( и /), создающиея восстанавливающий момент.
Равновесие будет устойчивым, если восстанавливающий момент больше опрокидывающего.
Условие устойчивого равновесия плавающего тела можно сформулировать следующим образом.
При отклонении тела от исходного положения центр давления переместится из точки D в точку D/ (рис. 2.13). На тело при этом действует пара сил ( /, ), где / архимедова сила, действующая на выведенное из положения равновесия тело.
Если прямая, в направлении которой действует сила , пересечет ось плавания в точке, расположенной выше центра масс С, то возникшая пара сил создает восстанавливающий момент и равновесие будет устойчивым. Точка M называется метацентром, а отрезок CM – метацентрической высотой.
Для устойчивого равновесия плавающего на поверхности тела необходимо и достаточно, чтобы метацентр располагался выше центра масс. Метацентрическая высота при этом принимает положительное значение.