Силы, действующие в жидкости. Давление

ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1 Предмет гидравлики, основные понятия и определения

Раздел механики, в котором изучаются равновесие и движение жидкостей, а также взаимодействие между жидкостью и обтекаемыми ею поверхностями или телами, называется «механика жид­кости», или «гидромеханика».

Термин «жидкость» в гидромеханике обладает более широким значением, чем это принято в современном русском языке. В понятие «жидкость» включают физические тела, обладающие текучестью, то есть способностью изменять свою форму под воздействием сколь угодно малых сил. Поэтому под этим термином подразумеваются не только обычные (капельные) жидкости, но и газы. Несмотря на их различие, законы движения капельных жидкостей и газов при определенных условиях можно считать одинаковыми. Основным из этих условий является небольшое значение скорости движения по сравнению со скоростью звука.

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.

Внешние течения, связанные с обтеканием движущихся тел воздушной или жидкой средой, рассматриваются в аэрогидромеханике, которая в настоящее время получила также значительное развитие в связи с потребностями авиации, авто- и судостроения. Аэрогидромеханика, являющаяся весьма обширной областью исследований и практического применения, не менее важна, однако в данном учебном пособии она не рассматривается.

Современная гидравлика является результатом развития двух методов исследования и решения технических задач.

Первый из этих методов — теоретический, основанный на использовании законов механики. Развитие его привело к созданию ма­тематического описания практически всех основных процессов, про­исходящих в движущейся жидкости. Однако использование этих математических моделей не всегда позволяет решать практические задачи. Это связано, с одной стороны, со сложностью используемых математических зависимостей, а с другой стороны, — с необходимостью учета влияния большого числа конструктивных факторов.

Второй метод — экспериментальный, учитывающий практическую деятельность людей, в результате которой накоплен значительный опыт по созданию гидравлических систем.

Современные способы решения прикладных задач, применяемые в гидравлике, представляют собой комбинацию отмеченных методов. Суть их заключается в следующем: сначала исследуемое явление упрощается (вводятся разумные допущения), а затем к нему применяют теоретические методы гидромеханики и на их основе получают расчетные формулы. По формулам проводят необходимые вычисления, и полученные результаты сравнивают с опытными данными. На основе сравнения расчетные зависимости рекомендуют к применению на практике или вносят в них необходимые коррективы.

Таким образом, методы, применяемые в гидравлике, являются сочетанием аналитических и экспериментальных способов исследования.

 

Силы, действующие в жидкости. Давление

 

Жидкость в гидравлике рассматривают как сплошную среду без пустот и промежутков. Кроме того, не учитывают влияние отдельных молекул, то есть даже бесконечно малые частицы жидкости считают состоящими из весьма большого количества молекул.

Из курса физики известно, что вследствие текучести жидкости, т. е. подвижности ее частиц, она не воспринимает сосредоточенные силы. Поэтому в жидкости действуют только распределенные силы, причем эти силы могут распределяться по объему жид­кости или по поверхности. Первые называются массовыми, или объемными, а вторые — поверхностными.

К объемным (массовым) силам относятся силы тяжести и силы инерции. Они пропорциональны массе и подчиняются второму закону Ньютона.

К поверхностным силам следует отнести силы, с которыми воздействуют на жидкость соседние объемы жидкости или тела, так как это воздействие осуществляется через поверхности. Учитывая важность поверхностных сил в гидравлике, рассмотрим их подробнее.

Пусть на плоскую поверхность площадью S под произвольным углом действует сила R (рисунок 1.1). Силу R можно разложить на тангенциальную Т инормальную F составляющие.

Тангенциальная составляющая называется силой трения Т и вызывает в жидкости касательные напряжения (или напряжения трения): .

Единицей измерения касательных напряжений в системе СИ является Паскаль (Па) — ньютон, отнесенный к квадратному метру (1 Па = 1 Н/м²).

Нормальная сила F называется силой давления и вызывает в жидкости нормальные напряжения сжатия, которые определяются отношением

p = F/S. (1.1)

Нормальные напряжения, возникающие в жидкости под действием внешних сил, называются гидромеханическим давлением или просто давлением. Рассмотрим системы отсчета давления и единицы его измерения.

Важным при решении практических задач является выбор системы отсчета давления (шкалы давления). За начало шкалы может быть принят абсолютный нуль давления. При отсчете давлений от этого нуля их называют абсолютными р_абс (рисунок 1.2, а).

Однако, как показывает практика, технические задачи удобнее решать, используя избыточные давления р_изб, т.е. когда за начало шкалы принимается атмосферное давление (см. рисунок 1.2, а).

Давление, которое отсчитывается «вниз» от атмосферного нуля, называется давлением вакуума р_вак,, или вакуумом (см. рисунок 1.2, а).

Таким образом, существуют три шкалы для отсчета давления, то есть давление может быть абсолютным, избыточным или вакуумным. Получим формулы для пересчета одного давления в другое.

Для получения формулы пересчета избыточного давления в абсолютное р_абс воспользуемся рисунком 1.2, б. Пусть значение искомого давления определяется положением точки В. Тогда очевидно, что

р_абе = р_а + р_изб,(1.2)

где р_а — атмосферное давление, измеренное барометром

Связь между абсолютным давлением р_абе и давлением вакуума р_вак можно установить аналогичным путем, но уже исходя из положения точки С (рис. 1.2, в):

р_абе = р_а - р_вак (1.3)

И избыточное давление, и вакуум отсчитываются от одного нуля (0_атм), но в разные стороны. Следовательно,

р_изб, = - р_вак. (1.4)

Таким образом, формулы (1.2)...(1.4) связывают абсолютное, избыточное и вакуумное давления и позволяют пересчитать одно в другое. Практика показала, что для решения технических (прикладных) задач наиболее удобно использовать избыточные давления.

Основной единицей измерения давления в системе СИ является паскаль (Па), который равен давлению, возникающему при действии силы в 1 Н на площадь размером 1 м² (1 Па = 1 Н/м²).

a — шкалы давления; б — взаимосвязь абсолютного и избыточного давлений; в — взаимосвязь абсолютного давления и давления вакуума

Рисунок 1.2 - Системы отсчета давления

Однако чаще используются более крупные единицы: килопаскаль (1 кПа = 10³ Па) и мегапаскаль (1 МПа = 10⁶ Па).

В технике широкое распространение получила внесистемная единица - техническая атмосфера (ат), которая равна давлению, возникающему при действии силы в 1 кгс на площадь размером 1 см² (1 ат = 1 кгс/см²). Соотношения между наиболее используемыми единицами следующие:

10 ат = 0,981 МПа ≈ 1 МПа или 1 ат = 98,1 кПа ≈ 100 кПа.

В зарубежной литературе используется также единица измерения давления бар (1 бар = 10⁵ Па).

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: