Тема 1. Введение. Физические свойства жидкости

Литература: [1], с. 9 - 23.

Методические советы

Изучение темы следует начать с вопроса о предмете «Гидравлика» и ее значении при решении инженерных задач в различных областях техни­ки и сельского хозяйства. Следует понять связь между гидравликой и другими общетехническими и специальными дисциплинами.

Целью настоящей темы является установление взаимосвязи и влия­ния основных физических свойств жидкости на характеристики гидравли­ческих процессов в трубах, каналах, гидросооружениях и т.д. Четко по­нять определение жидкости как физического тела, уяснить разницу между капельными и газообразными жидкостями.

Необходимо знать, что называется плотностью жидкости ρ. Научить­ся определять объемную деформацию жидкости при изменении давления.

Наиболее сложным вопросом для усвоения в данной теме является вопрос о вязкости жидкости. Вязкость характеризует способность жидко­сти воспринимать касательные усилия (силы трения). Согласно закону Ньютона, касательное напряжение , равное силе трения, приходящейся на единицу площади и возникающее между смежными слоями движущейся жидкости, пропорционально разности скорости du и обратно пропорцио­нально расстоянию dn между слоями, т.е.:

 

где µ - динамическая вязкость,  - градиент скорости.

 

Кроме динамической вязкости µ в гидравлике применяется кинема­тическая вязкость 𝜈 = µ / ρ. Подробнее данный материал изложен в [1]. Необходимо знать также другие свойства жидкости: температур­ное расширение, растворение газов, кипение, сопротивление растяжению, поверхностное натяжение, капиллярность и др. Сле­дует знать размерность и единицы измерения всех гидравлических вели­чин.

Для упрощения исследований в гидравлике часто широко использу­ется понятие невязкой жидкости. Важно четко уяснить различие между невязкой жидкостью и реальной (вязкой) жидкостью.

Вопросы для самопроверки

1. Каковы размерность и единицы измерения плотности жидкости в Международной системе единиц (СИ)? Приведите значение ρ для воды в системе СИ.

2.Как влияет температура на плотность жидкости?

З.Что понимается под коэффициентом объемного сжатия и модулем упругости жидкости? Зависят ли эти параметры от температуры и давле­ния? В каких случаях практики можно пренебречь сжимаемостью жидко­сти? В каких случаях нельзя пренебречь сжимаемостью жидкости?

4. Как влияет вязкость жидкости на касательное напряжение ? Ка­ковы размерность и единицы измерения динамической и кинематической вязкости µ и 𝜈? Зависят ли эти характеристики от температуры?

Тема 2. ГИДРОСТАТИКА

Литература: [1], с. 24 – 48; 

Методические советы

Гидростатику следует рассматривать как раздел гидромеханики, по­священный теории равновесия жидкости и ее взаимодействию с твердыми телами.

Целью настоящей темы является установление взаимосвязи между давлением, геометрической высотой, плотностью жидкости и силой гид­ростатического давления на различные поверхности.

Основной задачей данной темы является практическое использова­ние полученных уравнений и формул гидростатики в инженерных расче­тах

В покоящейся жидкости может существовать только напряжение сжатия, т.е. гидростатическое давление. Гидростатика занимается изуче­нием распределения гидростатического давления р по объему покоящей­ся жидкости, а также изучением величины и направления сил гидростати­ческого давления на плоские и криволинейные поверхности. Необходимо уяснить разницу между гидростатическим давлением в точке как напря­жением и силой давления.

Следует обратить особое внимание на свойства гидростатического давления. Различают абсолютное (полное) гидростатическое давление; избыточное давление, т.е. разность между абсолютным давле­нием и атмосферным; разряжение (вакуум), т.е. недостаток давления до атмосферного.

Наиболее общими уравнениями гидростатики являются дифференциальные уравнения Эйлера. Интегрирование уравнений Эйлера для раз­личных систем действующих массовых сил (тяжести, инерции) позволяет получить уравнения распределения давления как для абсолютного покоя, так и для любого случая относительного покоя.

Важнейшим из этих уравнений является основное уравнение гидро­статики, справедливое при абсолютном покое (в этом случае из массовых сил действует только сила тяжести).

Это уравнение имеет вид:

или

где   и   - давления соответственно в точках 1 и 2, находящихся в по­коящейся жидкости на высоте  и   над произвольной горизонтальной плоскостью сравнения.

Необходимо знать геометрическую интерпретацию основного урав­нения гидростатики.

Следует знать аналитические и графоаналитические способы опре­деления силы и центра давления на плоские и цилиндрические поверхно­сти.

Вопросы для самопроверки

1.Как взаимосвязаны между собой давление, геометрическая высота и плотность жидкости в случае, когда из массовых сил действует только сила тяжести?

2. Как влияют давление на свободной поверхности р₀ и глубина по­гружения точки h на давление р в рассматриваемой точке жидкости?

3. Как взаимосвязаны между собой сила давления жидкости на на­клонную плоскую стенку Р, давление на свободной поверхности р₀, плот-

ность жидкости , глубина погружения центра тяжести смоченной части площади стенки h _ц.т.? Какая еще величина влияет на силу Р?

4.Что понимается под телом давления и от каких факторов зависят составляющие и равнодействующая силы давления жидкости на цилинд­рическую поверхность?