В следствии текучести в жидкости действуют распределенные по ее объему (массе) или поверхности силы распределенные. По этому силы, действующие на объемы жидкости являющиеся по отношению к ним внешними разделяют, на два вида:
1. Массовые (объемные) силы – в соответствии со 2-м законом Ньютона пропорциональны массе жидкости (а для однородной жидкости – по объему). К ним относятся: силы тяжести, силы инерции переносного движения, которые действуют на жидкость при отрицательном ее покое в ускоренно движущемся сосуде или при относительном движении жидкости в каналах, немешающиеся с ускорением.
2. Поверхностные силы – непрерывно распределены по поверхности жидкости и при равномерном распределении их пропорциональны площади этой поверхности. Эти силы обусловлены воздействием соседних объемов жидкости на данный объем или же воздействием других тел как твердых так и газообразных соприкасающихся с данной жидкостью (согласно 3-му закону Ньютона)
Поверхностная сила ΔR действующая на площадку ΔА направлена под углом α к ней. Разложим ΔR на нормальную ΔN и тангенциальную ΔТ составляющие.
ΔN – сила давления,
ΔТ – сила трения.
Массовые силы обычно относят к единицы массы, а поверхностные к единице площади.
Массовые силы равны произведению массы на ускорение, поэтому единая массовая сила соответствует ускорению.
Единая поверхностная сила называемая напряжением поверхностной силы раскладывается на нормальные и касательные напряжения.
Обычно для определения давления жидкости, вызванного воздействием на нее поверхностных сил, применяется формула
где F - сила, действующая на жидкость, Н (ньютоны);
S - площадь, на которую действует эта сила, м² (кв.метры).
Если давление Р отсчитывают от абсолютного нуля, то его называют абсолютным давлением Рабс. Если давление отсчитывают от атмосферного, то оно называется избыточным Ризб. Атмосферное давление постоянно Ра = 103 кПа (рис.1.5).
Рис. 1.5. Схема к определению давлений
За единицу давления в Международной системе единиц (СИ) принят паскаль - давление вызываемое силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м²:
1 Па = 1 Н/м² = 10-3 кПа = 10-6 МПа.
Уравнения Эйлера.
Уравнения равновесия жидкости:
Система дифференциальных уравнений гидростатики называется уравнениями Эйлера.
Для практического пользования удобнее вместо системы уравнений получить одно эквивалентное им уравнение, не содержащее частных производных. Для этого умножим первое из уравнений на dx, второе — на dy, третье — на dz и, сложив все три уравнения, получим
Трехчлен, заключенный в скобках, представляет собой полный дифференциал давления, т. е, функции р (х, у, z),поэтому предыдущее уравнение можно переписать в виде:
или (1).
Полученное уравнение выражает приращение давления d pпри изменении координат на dx, dy и dz в общем случае равновесия жидкости.
Если предположить, что на жидкость действует только сила тяжести, и направить ось z вертикально вверх, то X = Y= О, Z=-g, и, следовательно, вместо уравнения (1) для этого частного случая равновесия жидкости получим
После интегрирования получим:
Постоянную интегрирования найдем, подставив параметры свободной поверхности, для которой при z = z0 p = р0
Получим При этом или