1.2. Силы, действующие на жидкость. Давление в жидкости
В гидравлике, как и в гидромеханике вообще, отвлекаются от молекулярного строения вещества и рассматривают жидкость как непрерывную среду, заполняющую пространство без пустот и промежутков, т.е. как континуум.
Вследствие текучести жидкости (подвижности ее частиц), в ней не могут действовать сосредоточенные силы, а возможно лишь действие сил, непрерывно распределенных по ее объему (массе) или по поверхности. В связи с этим силы, действующие на рассматриваемые объемы жидкости и являющиеся по отношению к ним внешними силами, подразделяются на массовые (объемные) и поверхностные.
Массовые силы пропорциональны массе жидкого тела, или, для однородных жидкостей, пропорциональны его объему.
|
Это, прежде всего, сила тяжести, а затем силы инерции переносного движения, действующие на жидкость при относительном ее покое в ускоренно движущихся сосудах или при относительном движении жидкости в руслах, перемещающихся с тем или иным ускорением.
К числу массовых сил относятся также силы, вводимые в рассмотрение по принципу Даламбера при составлении уравнений движения жидкости.
Поверхностные силы непрерывно распределены по поверхности жидкости и пропорциональны величине этой поверхности (при равномерном их распределении). Эти силы обусловлены непосредственным воздействием соседних объемов жидкости на данный объем или же воздействием других тел (твердых или газообразных), соприкасающихся с данным жидким телом.
|
Рис. 1.4. Разложение поверхностной силы на составляющие
В общем случае поверхностная сила R, действующая на площадке S, направлена под некоторым углом к ней и силу R можно разложить на нормальную Р и тангенциальную T составляющие (рис. 1.4). Первая, если она направлена внутрь объема, называется силой давления, а вторая силой трения.
|
Как массовые, так и поверхностные силы в гидромеханике рассматриваются обычно в виде единичных сил, т.е. сил, отнесенных к соответствующим единицам. Массовые силы относятся к единице массы, а поверхностные к единице площади.
Так как всякая массовая сила равна произведению массы на ускорение, то, следовательно, единичная массовая сила численно равна соответствующему ускорению.
Единичная поверхностная сила, называемая напряжением поверхностной силы, как и полная сила, раскладывается на нормальное и касательное напряжения.
Нормальное напряжение, т.е. напряжение силы давления, называется гидромеханическим (или, в случае покоя, гидростатическим) давлением или просто давлением и обозначается буквой р.
|
Если сила давления Р равномерно распределена по площадке S или нужно найти среднее значение гидромеханического давления, то последнее определяется по формуле
В общем же случае гидромеханическое давление в данной точке равно пределу, к которому стремится отношение силы давления к площадке, по которой она действует при стремлении величины площадки к нулю, т.е. при стягивании площадки в точку.
Если давление р отсчитывается от нуля, то оно называется абсолютным, если же давление отсчитывается от атмосферного, то его называют избыточным, или манометрическим.
|
Следовательно, абсолютное давление равно атмосферному плюс избыточное, т.е.
pабсрA+ризб.
За единицу давления в международной системе единиц (СИ) принято равномерно распределенное давление, при котором на площадь в 1 м2 действует сила в 1 ньютон, т.е. 1 н/м2.
|
Наряду с этой единицей давления применяют следующие укрупненные единицы: деканьютон на м2 (дан/м2), килоньютон на м2 (кн/м2) .и меганыотон на м2 (Мн/м2). Таким образом имеем
1 н/м2=10-1 дан/м2=10-3кн/м2
В технике пока применяется также система единиц МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда), в которой за единицу давления принимается 1 кГ/м2. Широко используется также внесистемная единица техническая атмосфера, равная одному килограмму-силе на см2, т.е.
1 ат=1 кГ/см2=10000 кГ/м2
Соотношение между единицами, давления в системах СИ в КГСС следующее:
1 н/м2=0,102 кГ/м2, или 1 кГ/м2=9,81 н/м2.
Касательное напряжение в жидкости, т.е. напряжение трения, обозначается т и выражается, подобно давлению, пределом
а единицы его измерения те же, что и у давления.