
- •Введение
- •Тема 1 Жидкости и газы, их свойства
- •Определение жидкости
- •Основные свойства жидкостей и газов
- •Силы, действующие в жидкости
- •Тема 2 Гидростатика
- •2.1 Гидростатическое давление и его свойства
- •2.2. Основное уравнение гидростатики
- •2.3 Закон Паскаля и его техническое применение
- •2.4 Дифференциальные уравнения Эйлера равновесия жидкости
- •2.5 Абсолютное и избыточное давление. Вакуум
- •2.6 Приборы для измерения давления в жидкости
- •2.7 Сообщающиеся сосуды
- •2.8 Сила давления жидкости на плоские стенки
- •2.9 Закон Архимеда и его приложение
- •2.10. Поверхности равного давления
- •2.11 Сила давления жидкости на криволинейную стенку
2.2. Основное уравнение гидростатики
Рассмотрим распространенный случай равновесия жидкости, когда на нее действует только одна массовая сила - сила тяжести, и получим уравнение, позволяющее находить гидростатическое давление в любой точке рассматриваемого объема жидкости. Это уравнение называется основным уравнением гидростатики.
По основному уравнению гидростатики определяется абсолютное давление в любой точке покоящейся жидкости.
Рисунок 7 — Схема к выводу основного уравнения гидростатики |
Определим абсолютное давление в точке М покоящейся жидкости на глубине h (рисунок 7). Выделим цилиндрический объём жидкости высотой h с площадью основания S. Этот объём жидкости находится в покое (в равновесии). Условие равновесия выделенного объёма жидкости в вертикальном направлении (сумма всех сил, действующих на выделенный объём жидкости в вертикальном направлении равна нулю):
|
(14)
где РS — сила давления жидкости на цилиндр снизу; РоS — сила давления жидкости на цилиндр сверху; G = gV = ghS — вес цилиндрического столба жидкости.
Тогда равенство (14) запишется:
(15)
Разделив обе части равенства (15) на S 0, получим:
(16)
Равенство (16) — основное уравнение гидростатики.
Проведем на глубине h горизонтальную поверхность О-О. Давление во всех точках этой поверхности будет одинаковым, так как h = const:
поэтому любая горизонтальная поверхность, проведённая в однородной покоящейся жидкости, является поверхностью равного давления (следствие из основного уравнения гидростатики).
Из основного уравнения гидростатики видно, что какую бы точку в объеме всего сосуда мы не взяли, на нее всегда будет действовать давление, приложенное к внешней поверхности P0. Другими словами давление, приложенное к внешней поверхности жидкости, передается всем точкам этой жидкости по всем направлениям одинаково. Это положение известно под названием закона Паскаля.
Поверхность, во всех точках которой давление одинаково, называется поверхностью уровня. В обычных условиях поверхности уровня представляют собой горизонтальные плоскости, а свободная поверхность является одной из поверхностей уровня.
Возьмем на произвольной высоте горизонтальную плоскость сравнения, от которой вертикально вверх будем отсчитывать координаты z. Обозначив через z координату точки М, через z0 – координату свободной поверхности жидкости и заменив в уравнении (17) h на z0-z, получим
(17)
Так как точка М взята произвольно, можно утверждать, что для всего рассматриваемого объема жидкости
Координата
z
называется геометрической
высотой.
Величина
имеет линейную размерность и называется
гидростатическим
напором.
Таким образом, гидростатический напор есть величина постоянная для всего объема неподвижной жидкости.
2.3 Закон Паскаля и его техническое применение
Рисунок 8 — Схемы, иллюстрирующие передачу давления в покоящейся жидкости
В соответствии с основным уравнением гидростатики (16) абсолютные давления в произвольно выбранных точках жидкости А, В, С будут соответственно равны:
ра = ро + pghA,
рВ = ро + pghB,
рс= ро + pghc.
Поместим на свободную поверхность жидкости, находящейся в равновесии в резервуаре (рисунок 6 а) поршень и приложим к нему силу Ро, в результате чего со стороны поршня на жидкость возникает давление Р0.
Из анализа полученных уравнений видно, что абсолютные давления в точках жидкости, находящихся на разной глубине, будут различные, однако внешнее давление, производимое на свободную поверхность жидкости в замкнутом сосуде, передается во все её точки без изменения. В этом заключается закон Паскаля.
Практически закон Паскаля используется в ряде гидравлических машин: гидравлических прессах и подъемниках, объемных насосах и гидродвигателях и др.
На рисунке 8 б приведена принципиальная схема гидравлического пресса. Прикладывая к меньшему поршню силу Р1, создаем в жидкости давление
или
которое в соответствии с законом Паскаля передаётся во все точки жидкости, в том числе и на больший поршень, вызывая на нём силу:
(18)