 |
Физико-механические свойства жидкостей.
|
|
|
|
История развития гидравлики
Первые гидравлические системы водоснабжения и ирригации были известны человеку задолго до нашей эры. Уже в Древнем Египте и Китае умели строить на реках плотины и водяные мельницы, оросительные системы на рисовых полях, в которых использовались водоподъемные машины. В Риме за шесть столетий до н. э. был построен водопровод, что свидетельствует о высокой технической культуре того времени. В III в. до н. э.
Архимед изобрел машину для подъема воды, названную «архимедовым винтом», которая является прообразом современных гидравлических насосов.
Хотя человек очень давно умел использовать силу ветра, первые пневматические системы появились гораздо позднее, чем гидравлические. Только в XVIII в.н.э. в Германии была создана машина для «движения воздуха и газа».
По мере развития науки и техники совершенствовались гидравлические и пневматические системы и существенно расширялась сфера их практического применения.
В настоящее время гидравлические и пневматические системы используют в водоснабжении и мелиорации, машиностроении и металлургии, на всех видах транспорта и в строительстве.
Особо важную роль в развитии современной техники играют гидравлические и пневматические приводы как основное средство механизации и автоматизации технологических процессов и процессов управления различными объектами. В качестве исполнительных устройств такие приводы применяют в станках и автоматических линиях, роботах и манипуляторах, системах управления автомобилем, самолетом и т.п.
Очевидно, что техническое совершенствование гидравлических и пневматических систем не могло происходить без фундаментальных научных разработок, начало которым положил трактат Архимеда «О плавании тел».
В XV—XVII вв. в трудах Леонардо да Винчи, Г. Галилея, И. Ньютона были сформулированы отдельные законы равновесия и движения жидкости, а в середине XVIII в. Д.Бернулли и Л.Эйлер заложили теоретические основы гидромеханики как науки.
В XIX—XX вв. гидромеханика получила дальнейшее развитие в трудах Дж. Г. Стокса, О. Рейнольдса, Н. Е.Жуковского, Н. П. Петрова, Л. Прандтля и других ученых.
Этот период характеризуется бурным развитием техники, и поэтому в трудах по гидромеханике большое внимание уделяется вопросам, представляющим практический интерес.
Сформировался раздел гидромеханики, рассматривающий законы равновесия и движения жидкости в открытых и закрытых руслах и способы их применения для решения технических задач. Этот раздел гидромеханики получил название «гидравлика».
Именно гидравлика как прикладная наука совместно с термодинамикой и газовой динамикой, изучающими законы движения газа, является научной основой для расчета и проектирования современных гидравлических и пневматических систем и их элементов.
|
|
|
Физико-механические свойства жидкостей.
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.
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.
Кроме того, жидкости (как и газы) характеризуются вязкостью. Она определяется как способность оказывать сопротивление перемещению одной из частей относительно другой — то есть как внутреннее трение.
Когда соседние слои жидкости движутся относительно друг друга, неизбежно происходит столкновение молекул дополнительно к тому, которое обусловлено тепловым движением. Возникают силы, затормаживающие упорядоченное движение. При этом кинетическая энергия упорядоченного движения переходит в тепловую — энергию хаотического движения молекул.
Жидкость в сосуде, приведённая в движение и предоставленная самой себе, постепенно остановится, но её температура повысится.
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 — 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.
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 — 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 — способность жидкостей растворяться друг в друге. Пример смешиваемых жидкостей: вода и этиловый спирт, пример несмешиваемых: вода и жидкое масло.
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).
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.
3.Дифференциальные уравнения равновесия жидкости (уравнения Эйлера)
Это уравнение относится к идеальной жидкости.
dx, dy, dz – размеры объема по координатным осям.
А – середина.
Дано жидкое тело, массой М, плотностью 
, которое находится в равновесии под действием внешних сил. Равнодействующую этих сил обозначим F.
Выберем декартову систему координат в которой находится тело.
Сила F может быть разложена на 3 составляющие:
F= f(Fx;Fy; Fz)
Где 
- это в соответствии со 2-м законом Ньютона – проекции ускорений, вызываемых внешними силами на соответствующие координатные оси.
Выделим в жидком теле бесконечно малый объем с центром в точке А в форме прямоугольного параллелепипеда, грани которого параллельны координатным осям. Мысленно отбрасываем окружающую параллелепипед жидкую среду. Заменяем жидкую среду эквивалентными силами.
Поскольку жидкое тело находится в равновесии, соответственно и выделенный объем, то
- условие равновесия вдоль оси х.
- проекция на ось х элементарной массовой силы.
Элементарная масса прямоугольного параллелепипеда: 
- элементарный объём нашего параллелепипеда
и 
- давление в точках 1 и 2.
А – центр тяжести рассматриваемого элементарного объёма.
Давление в точке А=р.
Направление оси х может быть представлено частной производной: 
Обе части полученной системы можно разделить на константу 
и получим:
Сложим все 3 уравнения и получим следующую формулу:
- основное уравнение гидростатики.
|
|
|
