Рассмотрим закрытый резервуар, в котором жидкость образует свободную поверхность (рис. 2.4, а ). Подсоединим к боковой поверхности резервуара изогнутую стеклянную трубку, открытую в атмосферу. Если на свободной поверхности действует атмосферное давление (р 0 = р ат), то по закону сообщающихся сосудов для однородной жидкости в резервуаре и в стеклянной трубке поверхности жидкостей будут находиться на одном уровне. По уровню жидкости в стеклянной трубке можно определить значение давления на уровне подсоединения трубки, а также значение давления, действующего на свободной поверхности жидкости. Такая стеклянная трубка носит название пъезометр .
Пъезометр - это прибор жидкостного типа, предназначенный для измерения давления.
а ) б ) в )
Рис. 2.4. Схема к определению давления
Подадим некоторое количество воздуха в закрытый резервуар (рис. 2.4, б ). В этом случае давление на свободной поверхности жидкости превысит атмосферное (р 0 > р ат), уровень жидкости в пъезометре превысит уровень жидкости в резервуаре. Плоскость M – N , к которой подсоединён пъезометр, является поверхностью равных давлений, то есть р M = р N . Согласно основному уравнению гидростатики (2.2):
,
,
Из уравнения (2.5) видно, что давление, на которое давление р 0 превышает атмосферное, уравновешивается давлением, создаваемым столбом жидкости (h п – h ) в пъезометре.
Давление, превышающее атмосферное, называют избыточным или манометрическим давлением. Избыточное (манометрическое) давление измеряется механическим прибором – манометром, и не учитывает атмосферное давление. Для случая, изображённого на рис. 2.4, б , манометрическое давление:
.
Давление р 0 из уравнения (2.5) будет равно:
Давление, определяемое с учётом атмосферного, называют абсолютным давлением.
Откачаем некоторое количество воздуха из закрытого резервуара (рис. 2.4. в ), в результате чего уровень жидкости в пъезометре будет ниже уровня жидкости в резервуаре. Составим основное уравнение гидростатики аналогично предыдущему случаю. С учётом того, что р 0 < р ат, получим:
Из уравнения (2.6) видно, что недостаток давления до атмосферного уравновешивается весом столба жидкости (h – h п) в резервуаре.
Давление, характеризующее недостаток давления до атмосферного, называется вакуумметрическим давлением .
Взаимосвязь между манометрическим, вакуумметрическим и абсолютным давлением изображена на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Взаимосвязь между манометрическим, вакуумметрическим
и абсолютным давлением
Существуют две системы отсчёта давления:
Если за начало отсчёта принимается атмосферное давление, то в этом случае давление может быть как положительным (избыточным), так и отрицательным (вакуумметрическим). Весовое давление столба жидкости p = ρ gh является избыточным;
Если за начало отсчёта принимается абсолютный ноль давлений, то в этом случае давление называют абсолютным, и оно может быть только положительным.
Высота столба жидкости в пъезометре h п называется пъезометрической высотой , с помощью которой определяют избыточное давление в точке подключения пъезометра:
В гидравлике удельную энергию жидкости называют напором . Так как напор измеряют в метрах, его называют высотой – геометрическая высота, пъезометрическая высота. В случае действия вакуумметрического давления разницу между уровнем свободной поверхности жидкости и уровнем жидкости в пъезометре называют вакуумметрической высотой.
В технических приложениях давление обычно называют абсолютным давлением . Кроме того, вводят так называемое избыточное давление и вакуум, определение которых осуществляется по отношению к атмосферному давлению.
Если давление больше атмосферного (), то превышение давления над атмосферным называют избыточным давлением:
;
если давление меньше атмосферного, то недостаток давления до атмосферного называют вакуумом (или вакууметрическим давлением):
.
Очевидно, что обе эти величины – положительные. Например, если говорят: избыточное давление равно 2 атм ., то это означает, что абсолютное давление равно . Если говорят, что в сосуде вакуум составляет 0,3 атм ., то это означает, что абсолютное давление в сосуде равно и т.д.
ЖИДКОСТИ. ГИДРОСТАТИКА
Физические свойства жидкостей
Капельные жидкости – это сложные системы, обладающие многими физико-химическими свойствами. Нефтяная и нефтехимическая промышленность, помимо воды, имеет дело с такими жидкостями, как сырая нефть, светлые нефтепродукты (бензины, керосины, дизельные и печные топлива и т.п.), различные масла, а также с другими жидкостями, являющимися продуктами переработки нефти. Остановимся, прежде всего, на тех свойствах жидкости, которые важны для изучения гидравлических проблем транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов.
Плотность жидкостей. Свойства сжимаемости
И теплового расширения
Каждая жидкость при некоторых стандартных условиях (например, атмосферном давлении и температуре 20 0 С) имеет номинальную плотность . Например, номинальная плотность пресной воды составляет 1000 кг/м 3 , плотность ртути равна 13590 кг/м 3 , сырых нефтей 840-890 кг/м 3 , бензинов 730-750 кг/м 3 , дизельных топлив 840-860 кг/м 3 . В то же время плотность воздуха составляет кг/м 3 , а природного газа кг/м 3 .
Однако при изменении давления и температуры плотность жидкости изменяется: как правило, при увеличении давления или уменьшении температуры она увеличивается, а при уменьшении давления или увеличении температуры она уменьшается.
Упругие жидкости
Изменения плотности капельных жидкостей обычно невелики по сравнению с номинальным значением (), поэтому для описания свойств их сжимаемости в ряде случаев используют модель упругой жидкости. В этой модели плотность жидкости зависит от давления согласно формуле
в которой коэффициент называют коэффициентом сжимаемости ; плотность жидкости при номинальном давлении . Эта формула показывает, что превышение давления над ведет к увеличению плотности жидкости, в обратном случае – к уменьшению.
Используется также модуль упругости К (Па ), который равен . В этом случае формула (2.1) записывается, как
. (2.2)
Средние значения модуля упругости для воды Па
, нефти и нефтепродуктов Па
. Отсюда следует, что отклонения 
плотности жидкости от номинальной плотности крайне незначительны. Например, если МПа
( атм.), то для жидкости с кг
/м
3 отклонение составит 2,8 кг
/м
3 .
Жидкости с тепловым расширением
То, что различные среды при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются, учитываются в модели жидкости с объемным расширением. В этой модели плотность есть функция от температуры , так что :
в которой () - коэффициент объемного расширения, а и номинальные плотность и температура жидкости. Для воды, нефти и нефтепродуктов значения коэффициента приведены в таблице 2.1.
Из формулы (2.3) следует, в частности, что при нагревании, т.е. в тех случаях, когда , жидкость расширяется; а в тех случаях, когда , жидкость сжимается.
Таблица 2.1
Коэффициент объемного расширения
| Плотность , кг/м 3 | Коэффициент , 1/ 0 C |
| 700-719 | 0,001225 |
| 720-739 | 0,001183 |
| 740-759 | 0,001118 |
| 760-779 | 0,001054 |
| 780-799 | 0,000995 |
| 800-819 | 0,000937 |
| 820-839 | 0,000882 |
| 840-859 | 0,000831 |
| 860-880 | 0,000782 |
Пример 1 . Плотность бензина при 20 0 С равна 745 кг/м 3 . Какова плотность этого же бензина при температуре 10 0 С?
Решение. Используя формулу (2.3) и таблицу 1, имеем:
кг/м 3 , т.е. эта плотность увеличилась на 8,3 кг/м 3 .
Используется также модель жидкости, учитывающей как барическое, так и тепловое расширение. В этой модели , причем справедливо следующее уравнение состояния:
. (2.4)
Пример 2 . Плотность бензина при 20 0 С и атмосферном давлении (МПа ) равна 745 кг/м 3 . Какова плотность этого же бензина при температуре 10 0 С и давлении 6,5 МПа?
Решение. Используя формулу (2.4) и таблицу 2.1, имеем:
кг /м 3 , т.е. эта плотность увеличилась на 12 кг /м 3 .
Несжимаемая жидкость
В тех случаях, когда изменениями плотности у частиц жидкости можно пренебречь, используют модель так называемой несжимаемой
жидкости. Плотность каждой частицы такой гипотетической жидкости остается постоянной в течение всего времени движения (иными словами, полная производная ), хотя она может быть и разной у разных частиц (как, например, у водонефтяных эмульсий). Если же несжимаемая жидкость однородна, то 
Подчеркнем, что несжимаемая жидкость представляет собой лишь модель , которую можно использовать в тех случаях, когда изменения плотности жидкости много меньше значения самой плотности , так что .
Вязкость жидкости
Если слои жидкости движутся друг относительно друга, то между ними, возникают силы трения. Эти силы называют силами вязкого трения,а свойство сопротивления относительному движению слоев - вязкостью жидкости.
Пусть, например, слои жидкости движутся так, как показано на рис. 2.1.
Рис. 2.1. К определению вязкого трения
Здесь распределение скоростей в потоке, а направление нормали к площадке . Верхние слои движутся быстрее нижних, поэтому со стороны первых действует сила трения, увлекающая вторые вперед по ходу течения, а со стороны нижних слоев действует сила трения, тормозящая движение верхних слоев. Величина - это x -составляющая силы трения между слоями жидкости, разделенными площадкой с нормалью y , рассчитанная на единицу площади.
Если ввести в рассмотрение производную , то она будет характеризовать скорость сдвига, т.е. разность скоростей слоев жидкости, рассчитанную на единицу расстояния между ними. Оказывается, что для многих жидкостей справедлив закон, согласно которому касательное напряжение между слоями пропорционально разности скоростей этих слоев, рассчитанной на единицу расстояния между ними :
Смысл этого закона понятен: чем больше относительная скорость слоев жидкости (скорость сдвига), тем больше сила трения между слоями.
Жидкость, для которой справедлив закон (2.5) называют ньютоновской вязкой жидкостью . Многие капельные жидкости удовлетворяют этому закону, однако, входящий в него коэффициент пропорциональности оказывается различным для различных жидкостей. Говорят, что такие жидкости являются ньютоновскими, но с разной вязкостью.
Коэффициент пропорциональности , входящий в закон (2.5), называют коэффициентом динамической вязкости.
Размерность этого коэффициента такова
.
В системе СИ измеряется в и выражается в Пуазах (Пз ). Эта единица введена в честь Жана Луи Мари Пуазейля , (1799-1869) – выдающегося французского врача и физика, много сделавшего для изучения движения жидкости (в частности, крови) в трубе.
Пуаз определяется так: 1 Пз = 0,1 . Чтобы составить представление о величине 1 Пз , заметим, что коэффициент динамической вязкости воды в сто раз меньше 1 Пз, т.е. 0,01 Пз = 0,001 = 1 санти Пуаз. Вязкость бензинов составляет 0,4-0,5 Пз, дизельных топлив 4 – 8 Пз , нефти – 5-30 Пз и больше.
Для описания вязких свойств жидкости важен также другой коэффициент, являющийся отношением коэффициента динамической вязкости к плотности жидкости, а именно . Этот коэффициент обозначают и называют коэффициентом кинематической вязкости .
Размерность коэффициента кинематической вязкости такова:
= 
.
В системе СИ измеряется м 2 /с и выражается Стоксами (Джордж Габриель Стокс (1819-1903) – выдающийся английский математик, физик и гидромеханик):
1 Ст = 10 -4 м 2 /с.
При таком определении кинематической вязкости для воды имеем:
Иными словами, единицы измерения для динамической и кинематической вязкости выбраны таким образом, чтобы и та, и другая для воды была бы равна 0,01 единицы: 1 сПз в первом случае и 1 сСт – во втором.
Для справки укажем, что кинематическая вязкость бензина составляет примерно 0,6 сСт; дизельного топлива - сСт; маловязкой нефти - сСт и т.д.
Зависимость вязкости от температуры . Вязкость многих жидкостей - воды, нефти и почти всех нефтепродуктов - зависит от температуры. При повышении температуры вязкость уменьшается, при понижении - увеличивается. Для расчета зависимости вязкости, например, кинематической от температуры используются различные формулы, в том числе и формула О.Рейнольдса - П.А.Филонова
Решение. По формуле (2.7) рассчитываем коэффициент : . По формуле (2.6) находим искомую вязкость: сСт.
Идеальная жидкость
Если силы трения между слоями жидкости много меньше нормальных (сдавливающих) сил, то вводят модель так называемой идеальной жидкости . В этой модели считается, что касательные силы трения между частицами, разделенными площадкой, отсутствуют и при течении жидкости, а не только в состоянии покоя(см. в п. 1.9 определение жидкости). Такая схематизация жидкости оказывается весьма полезной в тех случаях, когда касательные составляющие сил взаимодействия (силы трения) много меньше их нормальных составляющих (сил давления). В других же случаях, когда силы трения сопоставимы с силами давления или даже превосходят их, модель идеальной жидкости оказывается неприменимой.
Поскольку в идеальной жидкости существуют только нормальные напряжения, то вектор напряжения на любой площадке с нормалью перпендикулярен этой площадке
. Повторяя построения п.1.9, можно заключить, что в идеальной жидкости все нормальные напряжения равны по величине и отрицательны (
). Следовательно, в идеальной жидкости существует параметр , называемый давлением:, , а матрица напряжений имеет вид:
. (2.8)
¾ пьезометрами,
¾ манометрами,
¾ вакуумметрами.
Пьезометры и манометры измеряют избыточное (манометрическое) давление , то есть они работают, если полное давление в жидкости превышает величину, равную одной атмосфере p = 1 кгс/см2= 0,1 МПа p p ман p атм p атм = = 101325 » 100000 Па .
h p ,
где h p м .
h p .
МПа или кПа (см. на с. 54). Однако ещё продолжают применяться и старые манометры со шкалой в кгс/см2 , они удобны тем, что эта единица равна одной атмосфере (см. с. 8). Нулевое показание любого манометра соответствует полному давлению p , равному одной атмосфере.
Вакуумметр по своему внешнему виду напоминает манометр, а показывает он ту долю давления, которая дополняет полное давление в жидкости до величины одной атмосферы. Вакуум в жидкости - это не пустота, а такое состояние жидкости, когда полное давление в ней меньше атмосферного на величину p в p в
.
Величина вакуума pв не может быть быть больше 1 ат p в » 100000 Па
Пьезометр, показывающий h p = 160 см вод. ст. p изб = 16000 Па и p= 100000+16000=116000 Па ;
Манометр с показаниями p ман = 2,5 кгс/см2 h p = 25 м и полному давлению в СИ p = 0,35 МПа ;
Вакуумметр, показывающий p в = 0,04 МПа p= 100000-40000=60000 Па
Если давление Р отсчитывают от абсолютного нуля, то его называют абсолютным давлением Рабс
. Если давление отсчитывают от атмосферного, то оно называется избыточным (манометрическим) Ризб. Оно измеряется манометром. Атмосферное давление постоянно Ратм = 103 кПа (рис.1.5). Вакуумметрическое давление Рвак - недостаток давления до атмосферного.
6.Основное уравнение гидростатики (вывод). Закон Паскаля. Гидростатический парадокс. Героновы фонтаны, устройство, принцип действия .
Основное уравнение гидростатики гласит, что полное давление в жидкости p равно сумме внешнего давления на жидкость po и давления веса столба жидкости p ж , то есть: , где h - высота столба жидкости над точкой (глубина её погружения), в которой определяется давление. Из уравнения следует, что давление в жидкости увеличивается с глубиной и зависимость является линейной.
В частном случае для открытых резервуаров, сообщающихся с атмосферой (рис. 2), внешнее давление на жидкость равно атмосферному давлению p o = p атм = 101325 Па 1 ат . Тогда основное уравнение гидростатики принимает вид
.
Избыточное давление (манометрическое) есть разность между полным и атмосферным давлением. Из последнего уравнения получаем, что для открытых резервуаров избыточное давление равно давлению столба жидкости
Закон Паскаля
звучит так: внешнее давление, приложенное к жидкости, находящейся в замкнутом резервуаре, передаётся внутри жидкости во все её точки без изменения. На этом законе основано действие многих гидравлических устройств: гидродомкратов, гидропрессов, гидропривода машин, тормозных систем автомобилей.
Гидростатический парадокс - свойство жидкостей, заключающееся в том, что сила тяжести жидкости, налитой в сосуд, может отличаться от силы, с которой эта жидкость действует на дно сосуда.
Героновы фонтаны . Знаменитый ученый древности Герон Александрийский придумал оригинальную конструкцию фонтана, которая находит применение и в наши дни.
Главное чудо этого фонтана заключалось в том, что вода из фонтана била сама, без использования, какого либо внешнего источника воды. Принцип работы фонтана хорошо виден на рисунке.
Схема устройства фонтана Герона
Геронов фонтан состоит из открытой чаши и двух герметичных сосудов расположенных под чашей. Из верхней чаши в нижнюю емкость, идет полностью герметичная трубка. Если налить в верхнюю чашу воды, то вода по трубке начинает стекать в нижнюю емкость, вытесняя оттуда воздух. Поскольку сама нижняя емкость полностью герметична, то воздух выталкиваемый водой, по герметичной трубке, передает воздушное давление в среднюю чашу. Давление воздуха в средней емкости начинает выталкивать воду, и фонтан начинает работать. Если для начала работы, в верхнюю чашу требовалось налить воды, то для дальнейшей работы фонтана, уже использовалась вода попадавшая в чашу из средней емкости. Как видно устройство фонтана очень простое, но это только на первый взгляд.
Подъем воды в верхнюю чашу осуществляется за счет напора воды высотой H1, при этом воду фонтан поднимает на гораздо большую высоту H2, что на первый взгляд кажется невозможным. Ведь на это должно потребоваться гораздо большее давление. Фонтан не должен работать. Но знание древних Греков оказалось столь высоко, что они догадались передавать давление воды из нижнего сосуда, в средний сосуд, не водой, а воздухом. Поскольку вес воздуха значительно ниже веса воды, потери давления на этом участке получаются очень незначительными, и фонтан бьет из чаши на высоту H3. Высота струи фонтана H3, без учета потерь давления в трубках, будет равна высоте напора воды H1.
Таким образом, чтобы вода фонтана била максимально высоко, необходимо как можно выше сделать конструкцию фонтана, тем самым увеличив расстояние H1. Кроме того, нужно как можно выше поднять средний сосуд. Что касается закона физики о сохранении энергии, то он полностью соблюдается. Вода из среднего сосуда, под действием гравитации стекает в нижний сосуд. То, что она проделывает этот путь через верхнюю чашу, и при этом бьет там фонтаном, ни сколько не противоречит закону о сохранении энергии. Когда вся вода из среднего сосуда, перетечет в нижний, и фонтан перестанет работать.
7. Приборы, применяемые для измерения давления (атмосферного, избыточного, вакууметрического). Устройство, принцип действия. Класс точности приборов .
Давление в жидкости измеряется приборами:
¾ пьезометрами,
¾ манометрами,
¾ вакуумметрами.
Пьезометры и манометры измеряют избыточное (манометрическое) давление, то есть они работают, если полное давление в жидкости превышает величину, равную одной атмосфере p = 1 кгс/см2= 0,1 МПа . Эти приборы показывают долю давления сверх атмосферного. Для измерения в жидкости полного давления p необходимо к манометрическому давлению p ман прибавить атмосферное давление p атм , снятое с барометра. Практически же в гидравлике атмосферное давление считается величиной постоянной p атм = = 101325 » 100000 Па .
Пьезометр обычно представляет собой вертикальную стеклянную трубку, нижняя часть которой сообщается с исследуемой точкой в жидкости, где нужно измерить давление (например, точка А на рис. 2), а верхняя её часть открыта в атмосферу. Высота столба жидкости в пьезометре h p
является показанием этого прибора и позволяет измерять избыточное (манометрическое) давление в точке по соотношению 
где h p - пьезометрический напор (высота), м .
Упомянутые пьезометры применяются главным образом для лабораторных исследований. Их верхний предел измерения ограничен высотой до 5 м, однако их преимущество перед манометрами состоит в непосредственном измерении давления с помощью пьезометрической высоты столба жидкости без промежуточных передаточных механизмов.
В качестве пьезометра может быть использован любой колодец, котлован, скважина с водой или даже любое измерение глубины воды в открытом резервуаре, так как оно даёт нам величину h p .
Манометрычаще всего применяются механические, реже - жидкостные. Все манометры измеряют не полное давление, а избыточное .
Преимуществами их перед пьезометрами являются более широкие пределы измерения, однако есть и недостаток: они требуют контроля их показаний. Манометры, выпускаемые в последнее время, градуируются в единицах СИ: МПа или кПа . Однако ещё продолжают применяться и старые манометры со шкалой в кгс/см2 , они удобны тем, что эта единица равна одной атмосфере. Нулевое показание любого манометра соответствует полному давлению p , равному одной атмосфере.
Вакуумметр по своему внешнему виду напоминает манометр, а показывает он ту долю давления, которая дополняет полное давление в жидкости до величины одной атмосферы. Вакуум в жидкости - это не пустота, а такое состояние жидкости, когда полное давление в ней меньше атмосферного на величину p в
, которая измеряется вакуумметром. Вакуумметрическое давление p в
, показываемое прибором, связано с полным и атмосферным так: .
Величина вакуума pв не может быть быть больше 1 ат , то есть предельное значение p в » 100000 Па , так как полное давление не может быть меньше абсолютного нуля.
Приведём примеры снятия показаний с приборов:
Пьезометр, показывающий h p = 160 см вод. ст. , соответствует в единицах СИ давлениям p изб = 16000 Па и p= 100000+16000=116000 Па ;
Манометр с показаниями p ман = 2,5 кгс/см2 соответствует водяному столбу h p = 25 м и полному давлению в СИ p = 0,35 МПа ;
Вакуумметр, показывающий p в = 0,04 МПа , соответствует полному давлению p= 100000-40000=60000 Па , что составляет 60 % от атмосферного.
8.Дифференциальные уравнения покоящейся идеальной жидкости (Уравнения Л.Эйлера). Вывод уравнений, пример применения уравнений для решения практических задач .
Рассмотрим движение идеальной жидкости. Выделим внутри неё некоторый объём V . Согласно второму закону Ньютона, ускорение центра масс этого объёма пропорционально полной силе, действующей на него. В случае идеальной жидкости эта сила сводится к давлению окружающей объём жидкости и, возможно, воздействию внешних силовых полей. Предположим, что это поле представляет собой силы инерции или гравитации, так что эта сила пропорциональна напряжённости поля и массе элемента объёма. Тогда
,
где S - поверхность выделенного объёма, g - напряжённость поля. Переходя, согласно формуле Гаусса - Остроградского, от поверхностного интеграла к объёмному и учитывая, что , где - плотность жидкости в данной точке, получим:
В силу произвольности объёма V подынтегральные функции должны быть равны в любой точке:
Выражая полную производную через конвективную производную и частную производную:
получаем уравнение Эйлера для движения идеальной жидкости в поле тяжести :
 |
Где - плотность жидкости,
- давление в жидкости,
- вектор скорости жидкости,
- вектор напряжённости силового поля,
Оператор набла для трёхмерного пространства.
Определение силы гидростатического давления на плоскую стенку, расположенную под углом к горизонту. Центр давления. Положение центра давления в случае прямоугольной площадки, верхняя кромка которой лежит на уровне свободной поверхности.
Используем основное уравнение гидростатики (2.1) для нахождения полной силы давления жидкости на плоскую стенку, наклоненную к горизонту под произвольным углом a (рис. 2.6).
 |
Рис. 2.6
Вычислим полную силу P давления, действующую со стороны жидкости на некоторый участок рассматриваемой стенки, ограниченный произвольным контуром и имеющий площадь, равную S.
Ось 0x направим по линии пересечения плоскости стенки со свободной поверхностью жидкости, а ось 0y – перпендикулярно этой линии в плоскости стенки.
Выразим сначала элементарную силу давления, приложенную к бесконечно малой площадке dS:
,
где p0 – давление на свободной поверхности;
h – глубина расположения площадки dS.
Для определения полной силы P выполним интегрирование по всей площади S.
,
где y – координата центра площадки dS.
Последний интеграл, как известно из механики, представляет собой статический момент площади S относительно оси 0x
и равен произведению этой площади на координату ее центра тяжести (точка С), т. е.
Следовательно,
(здесь hc – глубина расположения центра тяжести площади S), или
(2.6)
т. е. полная сила давления жидкости на плоскую стенку равна произведению площади стенки на величину гидростатического давления в центре тяжести этой площади.
Найдем положение центра давления. Так как внешнее давление p0 передается всем точкам площади S одинаково, то равнодействующая этого давления будет приложена в центре тяжести площади S. Для нахождения точки приложения силы избыточного давления жидкости (точка D) применим уравнение механики, согласно которому момент равнодействующей силы давления относительно оси 0x равен сумме моментов составляющих сил, т. е. 
где yD – координата точки приложения силы Pизб.
Выражая Pизб и dPизб через yc и y и определяя yD, получим
где - момент инерции площади S относительно оси 0x
.
Учитывая, что 
(Jx0 – момент инерции площади S относительно центральной оси, параллельной 0x), получим
(2.7)
Таким образом, точка приложения силы Pизб расположена ниже центра тяжести площади стенки; расстояние между ними равно
Если давление p0 равно атмосферному, и оно действует с обеих сторон стенки, то точка D и будет центром давления. Когда же p0 выше атмосферного, то центр давления находится по правилам механики как точка приложения равнодействующей двух сил: hcgS и p0S. При этом, чем больше вторая сила по сравнению с первой, тем ближе центр давления к центру тяжести площади S.
В частном случае, когда стенка имеет прямоугольную форму, причем одна из сторон прямоугольника совпадает со свободной поверхностью жидкости, положение центра давления находится из геометрических соображений. Так как эпюра давления жидкости на стенку изображается прямоугольным треугольником (рис. 2.7), центр тяжести которого отстоит от основания на 1/3 высоты b треугольника, то и центр давления жидкости будет расположен на том же расстоянии от основания.
 |
Рис. 2.7
В машиностроении часто приходится сталкиваться с действием силы давления на плоские стенки, например на стенки поршней или цилиндров гидравлических машин. Обычно p0 при этом бывает настолько высоким, что центр давления можно считать совпадающим с центром тяжести площади стенки.
Центр давления
точка, в которой линия действия равнодействующей приложенных к покоящемуся или движущемуся телу сил давления окружающей среды (жидкости, газа), пересекается с некоторой проведённой в теле плоскостью. Например, для крыла самолёта (рис. ) Ц. д. определяют как точку пересечения линии действия аэродинамической силы с плоскостью хорд крыла; для тела вращения (корпус ракеты, дирижабля, мины и др.) - как точку пересечения аэродинамической силы с плоскостью симметрии тела, перпендикулярной к плоскости, проходящей через ось симметрии и вектор скорости центра тяжести тела.
Положение Ц. д. зависит от формы тела, а у движущегося тела может ещё зависеть от направления движения и от свойств окружающей среды (её сжимаемости). Так, у крыла самолёта, в зависимости от форм его профиля, положение Ц. д. может изменяться с изменением угла атаки α, а может оставаться неизменным («профиль с постоянным Ц. д.»); в последнем случае х цд ≈ 0,25b (рис. ). При движении со сверхзвуковой скоростью Ц. д. значительно смещается к хвосту из-за влияния сжимаемости воздуха.
Изменение положения Ц. д. у движущихся объектов (самолёт, ракета, мина и др.) существенно влияет на устойчивость их движения. Чтобы их движение было устойчивым при случайном изменении угла атаки а, Ц. д. должен сместиться так, чтобы момент аэродинамической силы относительно центра тяжести вызвал возвращение объекта в исходное положение (например, при увеличении а Ц. д. должен сместиться к хвосту). Для обеспечения устойчивости объект часто снабжают соответствующим хвостовым оперением.
Лит.: Лойцянский Л. Г., Механика жидкости и газа, 3 изд., М., 1970; Голубев В. В., Лекции по теории крыла, М. - Л., 1949.
Положение центра давления потока на крыло: b - хорда; α - угол атаки; ν - вектор скорости потока; х дц - расстояние центра давления от носика тела.
10. Определение силы гидростатического давления на криволинейную поверхность. Эксцентриситет. Объем тела давления .
Давление, отсчитываемое от абсолютного нуля, называется абсолютным давлением и обозначается p абс. Абсолютный нуль давления означает полное отсутствие сжимающих напряжений.
В открытых сосудах или водоемах давление на поверхности равно атмосферному p атм. Разность между абсолютным давлением p абс и атмосферным p атм называется избыточным давлением
p изб = p абс – p атм.
Когда давление в какой-либо точке, расположенной в объеме жидкости, больше атмосферного, т. е. , то избыточное давление положительно и его называют манометрическим .
Если давление в какой-либо точке оказывается ниже атмосферного, т. е. , то избыточное давление отрицательно. В этом случае его называют разрежением или вакуумметрическим давлением. За величину разрежения или вакуума принимается недостаток до атмосферного давления:
p вак = p атм – p абс;
p изб = – p вак.
Максимальный вакуум возможен, если абсолютное давление станет равным давлению насыщенного пара, т. е. p абс = p н.п. Тогда
p вак max = p атм – p н.п.
В случае если давлением насыщенного пара можно пренебречь, имеем
p вак max = p атм.
Единицей измерения давления в СИ является паскаль (1 Па = 1 Н/м 2), в технической системе – техническая атмосфера (1 ат = 1 кГ/см 2 = 98,1 кПа). При решении технических задач атмосферное давление принимается равным 1 ат = 98,1 кПа.
Манометрическое (избыточное) и вакуумметрическое (разрежение) давление часто измеряются с помощью стеклянных, открытых сверху трубок – пьезометров, присоединяемых к месту измерения давления (рис. 2.5).
 |  |
Пьезометры измеряют давление в единицах высоты подъема жидкости в трубке. Пусть трубка пьезометра присоединена к резервуару на глубине h 1 . Высота подъема жидкости в трубке пьезометра определяется давлением жидкости в точке присоединения. Давление в резервуаре на глубине h 1 определится из основного закона гидростатики в форме (2.5)
,
где – абсолютное давление в точке присоединения пьезометра;
– абсолютное давление на свободной поверхности жидкости.
Давление в трубке пьезометра (открытой сверху) на глубине h равно
.
Из условия равенства давлений в точке присоединения со стороны резервуара и в пьезометрической трубке получаем
 .
| (2.6) |
Если абсолютное давление на свободной поверхности жидкости больше атмосферного (p 0 > p атм) (рис. 2.5.а ), то избыточное давление будет манометрическим, и высота подъема жидкости в трубке пьезометра h > h 1 . В этом случае высоту подъема жидкости в трубке пьезометра называют манометрической или пьезометрической высотой .
Манометрическое давление в этом случае определится как
Если абсолютное давление на свободной поверхности в резервуаре будет меньше атмосферного (рис. 2.5.б ), то в соответствии с формулой (2.6) высота подъема жидкости в трубке пьезометра h будет меньше глубины h 1 . Величину, на которую опустится уровень жидкости в пьезометре относительно свободной поверхности жидкости в резервуаре, называют вакуумметрической высотой h вак (рис. 2.5.б ).
Рассмотрим еще один интересный опыт. К жидкости, находящейся в закрытом резервуаре, на одинаковой глубине присоединены две вертикальные стеклянные трубки: открытая сверху (пьезометр) и запаянная сверху (рис. 2.6). Будем считать, что в запаянной трубке создано полное разряжение, т. е. давление на поверхности жидкости в запаянной трубке равно нулю. (Строго говоря, давление над свободной поверхностью жидкости в запаянной трубке равно давлению насыщенных паров, но ввиду его малости при обычных температурах, этим давлением можно пренебречь).
В соответствии с формулой (2.6) жидкость в запаянной трубке поднимется на высоту, соответствующую абсолютному давлению на глубине h 1:
.
А жидкость в пьезометре, как показано ранее, поднимется на высоту, соответствующую избыточному давлению на глубине h 1 .
Вернемся к основному уравнению гидростатики (2.4). Величина H , равная
называется пьезометрическим напором .
Как следует из формул (2.7), (2.8), напор измеряется в метрах.
Согласно основному уравнению гидростатики (2.4) как гидростатический, так и пьезометрический напоры в покоящейся жидкости относительно произвольно выбранной плоскости сравнения являются постоянными величинами. Для всех точек объема покоящейся жидкости гидростатический напор одинаков. То же самое можно сказать и про пьезометрический напор.
Это значит, что если к резервуару с покоящейся жидкостью подключить на разной высоте пьезометры, то уровни жидкости во всех пьезометрах установятся на одинаковой высоте в одной горизонтальной плоскости, называемой пьезометрической.
Поверхности уровня
Во многих практических задачах бывает важно определить вид и уравнение поверхности уровня.
Поверхностью уровня или поверхностью равного давления называется такая поверхность в жидкости, давление во всех точках которой одно и то же, т. е. на такой поверхности dp = 0.
Так как давление является некоторой функцией координат, т. е. p = f(x,y,z) , то уравнение поверхности равного давления будет:
| p = f (x, y, z ) = C = const. | (2.9) |
Придавая константе C разные значения, будем получать различные поверхности уровня. Уравнение (2.9) есть уравнение семейства поверхностей уровня.
Свободная поверхность – это поверхность раздела капельной жидкости с газом, в частности, с воздухом. Обычно про свободную поверхность говорят только для несжимаемых (капельных) жидкостей. Понятно, что свободная поверхность является и поверхностью равного давления, величина которого равна давлению в газе (на поверхности раздела).
По аналогии с поверхностью уровня вводят понятие поверхности равного потенциала илиэквипотенциальной поверхности – это поверхность, во всех точках которой силовая функция имеет одно и то же значение. Т. е. на такой поверхности
U = const
Тогда уравнение семейства эквипотенциальных поверхностей будет иметь вид
U (x,y,z ) = C ,
где постоянная C принимает различные значения для разных поверхностей.
Из интегральной формы уравнений Эйлера (уравнения (2.3)) следует, что
Из этого соотношения можно сделать вывод, что поверхности равного давления и поверхности равного потенциала совпадают, потому что при dp = 0и dU = 0.
Важнейшее свойство поверхностей равного давления и равного потенциала состоит в следующем: объемная сила, действующая на частицу жидкости, находящуюся в любой точке, направлена по нормали к поверхности уровня, проходящей через эту точку.
Докажем это свойство.
Пусть частица жидкости из точки с координатами переместилась по эквипотенциальной поверхности в точку с координатами . Работа объемных сил на этом перемещении будет равна
Но, поскольку частица жидкости перемещалась по эквипотенциаль-ной поверхности, dU = 0. Значит работа объемных сил, действующих на частицу, равна нулю. Силы не равны нулю, перемещение не равно нулю, тогда работа может быть равна нулю только при условии, что силы перпендикулярны перемещению. То есть объемные силы нормальны к поверхности уровня.
Обратим внимание на то, что в основном уравнении гидростатики, записанном для случая, когда на жидкость действует только один вид объемных сил – силы тяжести (см. уравнение (2.5))
,
величина p 0 – не обязательно давление на поверхности жидкости. Это может быть давление в любой точке, в которой оно нам известно. Тогда h – это разность глубин (по направлению вертикально вниз) между точкой, в которой давление известно, и точкой, в которой мы хотим его определить. Таким образом, с помощью этого уравнения можно определить значение давления p в любой точке через известное давление в известной точке – p 0 .
Заметим, что величина не зависит от p 0 . Тогда из уравнения (2.5) следует вывод: насколько изменится давление p 0 , настолько же изменится и давление в любой точке объема жидкости p . Поскольку точки, в которых фиксируем p и p 0 , выбраны произвольно, это означает, что давление, создаваемое в любой точке покоящейся жидкости, передается ко всем точкам занимаемого объема жидкости без изменения величины.
Как известно, в этом и состоит закон Паскаля.
По уравнению (2.5) можно определить форму поверхностей уровня покоящейся жидкости. Для этого надо положить p = const. Из уравнения следует, что это выполнимо лишь при h = const. Значит, что при действии на жидкость из объемных сил только сил тяжести, поверхности уровня представляют собой горизонтальные плоскости.
Такой же горизонтальной плоскостью будет и свободная поверхность покоящейся жидкости.
Давление - физическая величина, характеризующая интенсивность сил, действующих по нормали к поверхности тела и отнесенных к единице площади этой поверхности.
Различают следующие виды давлений:
- барометрическое (атмосферное)
- нормальное
- абсолютное
- манометрическое (избыточное)
- акууметрическое (разряжения)
Для измерения давления применяются различные единицы: Паскаль (Па), бар, техническая атмосфера или просто атмосфера, миллиметр ртутного или водяного столба, которые находятся в следующих соотношениях:
1 Па = 10^-5 бар = 1,02 * 10^-5 кгс/см2 = 7,5024 * 10^-2 мм рт. ст.
Барометрическое давление зависит от массы слоя воздуха. Самое большое барометрическое давление было зарегистрировано на уровне моря и составило 809 мм рт. ст., а самое низкое - 684 мм рт. ст. Барометрическое давление выражается высотой столба ртути в мм, приведенного к 0 °С.
Нормальное давление - это среднее значение давления воздуха за год на уровне моря, которое определяется ртутным барометром при температуре ртути 273 К. Оно равно примерно 101,3 кПа (750 мм рт. ст.). То есть нормальным давлением называется барометрическое давление, равное одной физической атмосфере и является частным случаем барометрического давления.
Абсолютным давлением называется давление газов и жидкостей в закрытых объемах. Оно не зависит от состояния окружающей среды.
Манометрическое давление — это разность между абсолютным давлением и барометрическим давлением, если первое больше второго.
Манометр - прибор с помощью которого измеряют давление в закрытом сосуде, находясь вне этого сосуда, испытывает давление как со стороны окружающей среды, так и со стороны сосуда. Поэтому полное или абсолютное давление газа в сосуде равно сумме манометрического давления и барометрического.
Вакуумметрическим давлением называется разность между барометрическим давлением и абсолютным давлением, если последнее меньше первого.
