Силы, действующие в жидкости. Давление


 

Жидкость в гидравлике рассматривают как сплошную среду без пустот и промежутков. Кроме того, не учитывают влияние отдельных молекул, то есть даже бесконечно малые частицы жидкости считают состоящими из весьма большого количества молекул.

Из курса физики известно, что вследствие текучести жидкости, т. е. подвижности ее частиц, она не воспринимает сосредоточенные силы. Поэтому 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. Учитывая важность поверхностных сил в гидравлике, рассмотрим их подробнее.

Пусть на плоскую поверхность площадью S под произвольным углом действует сила R (рисунок 1.1). Силу R можно разложить на тангенциальную Т и нормальную F составляющие.

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

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

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

                                                          p = F/S.                                                                (1.1)

Нормальные напряжения, возникающие в жидкости под действием внешних сил, 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. При отсчете давлений от этого нуля их называют абсолютными рабс  (рисунок 1.2, а).

Однако, как показывает практика, технические задачи удобнее решать, используя избыточные давления ризб, т.е. когда за начало шкалы принимается атмосферное давление (см. рисунок 1.2, а).

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

Таким образом, существуют три шкалы для отсчета давления, то есть давление может быть абсолютным, избыточным или вакуумным. Получим формулы для пересчета одного давления в другое.

Для получения формулы пересчета избыточного давления в абсолютное рабс воспользуемся рисунком 1.2, б. Пусть значение искомого давления определяется положением точки В. Тогда очевидно, что

рабе = ра + ризб,                                                                  (1.2)

где ра — атмосферное давление, измеренное барометром

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

рабе = ра - рвак                                                                    (1.3)

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

               ризб, = - рвак.                                                                       (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).

a — шкалы давления; б — взаимосвязь абсолютного и избыточного давлений; в — взаимосвязь абсолютного давления и давления вакуума

Рисунок 1.2 - Системы отсчета давления

Однако чаще используются более крупные единицы: килопаскаль (1 кПа = 103 Па) и мегапаскаль (1 МПа = 106 Па).

В технике широкое распространение получила внесистемная единица - техническая атмосфера (ат), которая равна давлению, возникающему при действии силы в 1 кгс на площадь размером 1 см2 (1 ат = 1 кгс/см2). Соотношения между наиболее используемыми единицами следующие:

10 ат = 0,981 МПа ≈ 1 МПа или 1 ат = 98,1 кПа ≈ 100 кПа.

В зарубежной литературе используется также единица измерения давления бар (1 бар = 105 Па).

 

Предыдущие материалы: Следующие материалы: