Лекция 1 . Тема:Гидравлика : Гидростатика. Основы кинематики

открытых и закрытых
руслах, а также с вопросами силового воздействия

жидкости на стенки сосудов или
обтекаемые жидкостью твердые тела привело к созданию обширной науки называемой
гидромеханикой, которая делится на два раздела: техническая гидромеханика и
теоретическая механика жидкости и газа

(техническая механика жидкости) - прикладная часть
гидромеханики, которая использует те или
иные допущения для решения практических задач. Она обладает сравнительн
простыми методиками расчета
по сравнению с теоретической механикой жидкости, где применяется сложный
математический аппарат
. Однако гидравлика дает достаточную для технических приложений характеристику
рассматриваемых явлений
.

Жидкость и силы действующие на нее

Жидкостью в гидравлике называют физическое тело способное изменять свою форму при воздействии
на нее сколь угодно малых сил. Различают два вида жидкостей: жидкости капельные и жидкости газообразные

Рис. 1.2. Виды жидкостей
Основной отличительной особенностью капельных и газообразных жидкостей является способность сжиматься (изменять объем) под воздействием внешних сил.
На жидкость постоянно воздействуют внешние силы, которые разделяют на массовые и поверхностные.
Массовые: силы тяжести и инерции. Сила тяжести в земных условиях действует на жидкость постоянно, а сила инерции только при сообщении объему жидкости ускорений (положительных или отрицательных).
Поверхностные: обусловлены воздействием соседних объемов жидкости на данный объем или воздействием других тел.

жидкость находится под давлением.
Обычно для определения давления жидкости, вызванного

воздействием на нее поверхностных сил
, применяется формула

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
1 Па = 1 Н/м² = 10-3 кПа = 10-6 МПа.
Размерность давления обозначается как "Па" (паскаль), "кПа" (килопаскаль), "МПа" (мегапаскаль).
В технике в настоящее время продолжают применять систему единиц МКГСС, в которой за единицу давления принимаетс
1 кгс/м².
1 Па = 0,102 кгс/м² или 1 кгс/м² = 9,81 Па.

массу жидкости заключенную в единице объема.

Удельным весом называют вес единицы

объема жидкости, который определяется по формуле:

С увеличением температуры удельный вес жидкости уменьшается.

Основные физические свойства
Сжимаемость - свойство жидкости изменять свой объем под действием давления. Сжимаемость жидкости
характеризуется коэффициентом объемного сжатия, который определяется по формуле

Величина обратная βV называется модулем объемной упругости жидкости:

2. Температурное расширение - относительное изменение объема жидкости при увеличении температуры
на 1°С при Р = const. Характеризуется коэффициентом температурного расширения

5. Вязкость жидкости - свойство жидкости сопротивляться скольжению или сдвигу ее слоев. Суть ее заключается
в возникновении внутренней силы трения между движущимися слоями жидкости, которая определяется по формуле Ньютона

Отсюда динамическая вязкость равна

.
Отношение динамического коэффициента вязкости к плотности жидкости называется кинематическим
коэффициентом вязкости:

ОСНОВЫ ГИДРОСТАТИКИ

Гидравлика делится на два раздела: гидростатика и гидродинамика. Гидродинамика является более
обширным разделом и
будет рассмотрена в последующих лекциях. В этой лекции будет рассмотрена гидростатика.
Гидростатикой называется раздел гидравлики, в котором рассматриваются законы равновесия
жидкости и их
практическое применение.

Гидростатическое давление
В покоящейся жидкости всегда присутствует сила давления, которая называется гидростатическим
давление
.

Гидростатическое давление обладает свойствами.
Свойство 1. В любой точке жидкости гидростатическое давление перпендикулярно площадке
касательной
выделенному объему и действует внутрь рассматриваемого объема жидкости.
Свойство 2. Гидростатическое давление неизменно во всех направлениях.
Свойство 3. Гидростатическое давление в точке зависит от ее координат в пространстве.

Основное

уравнение гидростатики

. Схема для вывода основного уравнения гидростатики

P = P0 + ρgh = P0 + hγ

Полученное уравнение называют основным уравнением гидростатики. По нему можно посчитать давление в
любой точке покоящейся жидкости. Это давление, как видно из уравнения, складывается из двух величин:
давления
P0 на внешней поверхности жидкости

Давление жидкости на плоскую

наклонную стенку

Рис. 2.3. Схема к определению равнодействующей гидростатического давления на плоскую поверхность
Давление в точке В:
р= γh = γH
.
Согласно первому свойству гидростатического давления, оно всегда направлено по нормали к ограждающе
й поверхности. Следовательно, гидростатическое давление в точке В, величина которого равна γH будет равно

Если площадь наклонной стенки S=bL, то равнодействующая гидростатического давления равна

одинаково, называется поверхностью уровня или поверхностью
равного давления. Рассмотрим два

примера такого относительного покоя. В первом примере определим поверхност
и уровня
в жидкости, находящейся в цистерне, в то время как цистерна движется по горизонтальному пути с
постоянным ускорением a

Рис. 2.6. Движение цистерны с ускорением
К каждой частице жидкости массы m должны быть в этом случае
приложены ее вес G = mg и сила инерции Pu, равная
по величине ma. Равнодействующая

этих сил направлена к вертикали под углом α, тангенс которого равен

В качестве второго примера рассмотрим часто встречающийся в практике случай относительного покоя жидкости во
вращающихся сосудах (например, в сепараторах и центрифугах, применяемых для разделения жидкостей).

Рис. 2.7. Вращение сосуда с жидкостью

Давление жидкости на цилиндрическую поверхность

Пусть жидкость

заполняет резервуар, правая стенка которого представляет собой цилиндрическую
криволинейную
поверхность АВС ), простирающуюся в направлении читателя на ширину b.

Схема к определению равнодействующей гидростатического давления на цилиндрическую поверхность

Реакция цилиндрической поверхности в общем случае равна

а поскольку реакция цилиндрической поверхности равна равнодействующей гидростатического
давления R=F, то
делаем вывод, что

Закон

Архимеда и его приложение
Тело, погруженное (полностью или частично) в жидкость, испытывает со стороны жидкости суммарное давление,
направленное снизу вверх и равное весу жидкости в объеме погруженной части тела.
Pвыт = ρжgVпогр
Способность плавающего тела, выведенного из состояния равновесия, вновь возвращаться в это состояние называется
устойчивостью. Вес жидкости, взятой в объеме погруженной части судна называют водоизмещением, а точку приложения
равнодействующей давления (т.е. центр давления) - центром водоизмещения. При нормальном положении судна центр
тяжести С и центр водоизмещения d лежат на одной вертикальной прямой O'-O",

Рис. 2.5. Поперечный профиль судна
Теперь рассмотрим условия равновесия судна:
если h > 0, то судно возвращается в первоначальное положение; 2) если h = 0, то это случай безразличного равновесия; 3) если h<0, то это случай неостойчивого равновесия, при котором продолжается дальнейшее
опрокидывание судна.
Следовательно, чем ниже расположен центр тяжести и, чем больше метацентрическая высота,
тем больше будет остойчивость судна.