Силы, действующие в жидкости. Давление

ВВЕДЕНИЕ

Общие положения

Предмет гидравлики, основные понятия и методы

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 все тела, которые способны изменять свою форму под воздействием сколь угодно малых сил. Поэтому под этим термином подразумеваются не только обычные (капель­ные) жидкости, но и газы.

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 иaulos— трубка.

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.

Практическая гидравлика изучает течения как безнапорные — течения в открытых руслах (реки, каналы, водосливы), так и на­порные — в закрытых руслах (трубопроводы, насосы, элементы гидравлических систем). Вопросы течения жидкости в закрытых рус­лах с давлениями, отличными от атмосферного, приобрели осо­бую важность в современном машиностроении. Рассмотрению этих вопросов посвящена данная книга.

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, т.е. даже бесконечно малые частицы жидкости счи­тают состоящими из весьма большого количества молекул.

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.

Пусть на плоскую поверхность площадью Sпод произвольным углом действует силаR(рис. 1.1). СилуRможно разложить на тан­генциальную Т и нормальнуюFсоставляющие.

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

τ = T/S.

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

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

p=F/S. (1.1)

Эти нормальные напряжения сжатия 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 (аналог абсолют­ного нуля температуры) — 0_абс. При отсче­те давлений от этого нуля их называют аб­солютными р_абс(рис. 1.2, а).

Однако, как показывает практика, технические задачи удобнее решать, ис­пользуя избыточные давления р_из6, т.е. когда за начало шкалы принимается ат­мосферное давление — 0_атм(см. рис. 1.2, а).

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

Таким образом, существуют три шкалы для отсчета давления, т.е. 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 рис. 1.2, б. Пусть значение искомого давления определяется положением точки В. Тогда очевидно, что

P_абс=P_а+P_из6, (1.2)

где р_л— атмосферное давление, измеренное барометром.

Связь между абсолютным давлением P_а6си давлением вакуума р_тк можно установить аналогичным путем, но уже исходя из поло­жения точки С (рис. 1.2, в):

Р_абc= Р_а-P_вак(1.3)

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

P = -(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).