3 основные понятия гидростатики

Определение закона Паскаля

Итак, мы подошли к формулировке закона Паскаля, и звучит она так:

Давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку одинаково во всех направлениях.

Обратите внимание — закон работает только с жидкостями и газами. Дело в том, что молекулы жидких и газообразных веществ под давлением ведут себя совсем не так, как молекулы твердых тел

Если молекулы жидкости и газа движутся почти свободно, то молекулы твердых тел так не умеют. Они могут лишь колебаться, немного отклоняясь от исходного положения. Именно благодаря свободному передвижению молекулы газа и жидкости оказывают давление во всех направлениях.

Рассмотрим опыт с шаром Паскаля, чтобы стало понятнее.

Присоединим к трубе с поршнем полый шар со множеством небольших отверстий. Зальем в шар воду и будем давить на поршень. Давление в трубе вырастет и вода будет выливаться через отверстия, причем напор всех струй будет одинаковым. Такой же результат получится, если вместо воды в шарике будет газ.

Важный момент
У Земли есть атмосфера. Эта атмосфера создает давление, которое добавляется ко всем другим. То есть если мы давим рукой на стол, то давление, которое испытывает стол — это давление нашей руки плюс атмосферное.

Гидростатическое давление и его свойства

Гидростатическое давление и его свойства. Рассмотрим жидкость, находящуюся в состоянии равновесия под действием внешних сил. Мысленно рассеките это тело в произвольной плоскости, отбросив одну из его частей(например, верхнюю) и заменив ее действие комбинированной силой (рис.3.2). Предполагая, что эта сила направлена под любым углом к рассматриваемой области, ее можно разложить на 2 силы-перпендикулярные к секущей плоскости N, касательные к T. Но наличие тангенциальной силы T приводит к появлению тангенциального напряжения M. It возникает только при движении жидкости.

Поэтому единственной силой, которая может возникнуть в неподвижной жидкости, является сила сжатия, направленная вдоль внутренней нормали. Изолировать в любой жидкости, находящейся в равновесии под действием внешней силы 25. Или ар. ля<sup class=»reg»></sup> (3 2） (Рис.3.3), нарисуйте секущую плоскость 5-5 в любой точке А и разделите объем рассматриваемой жидкости на 2 отсека (I и II).Через плоскость 5-5 на отсек II из / в отсек действует сила Р, называемая гидростатическим давлением (или полным гидростатическим давлением).

Таким образом, гидростатическое давление является пределом отношения нормальной силы сжатия 1AP к базовой колодке Leo, когда размер базовой колодки Leo уменьшается до нуля. Мы внесем некоторые уточнения и вернемся к началу рассуждений по этому поводу. Сила Р для отсека II представляет собой внешнюю поверхностную силу, которая является внутренней силой для всего объема рассматриваемой жидкости. Из отсека II на отсек действует сила реакции, равная силе Р/.Поэтому для этого нужно учитывать силу пары.

Если всю площадь поперечного сечения 5-5 обозначить в Омах, разделив на нее модуль (величину)| P|, то получается среднее гидростатическое давление. Рав=^, (3.3） 5 ″ падение на самолет.» Тогда значение p в нужной точке (сумма скаляра) можно записать следующим образом: Р = НТ ДСО+ 0 | ДА| Пепел. (3.4） Р = НШ ДУ + 0 АР Д

Гидростатическое давление в любой точке Р одинаково во всех направлениях(то есть оно не зависит от угла наклона рабочей площадки). Некоторые курсы предоставят вам довольно строгое доказательство this. It можно несколько упростить и выразить в виде: Возьмем любую точку а в объеме жидкости, которая неподвижна, и в этой точке выберем основной объем жидкости непосредственно в виде призмы. Это перпендикулярно рисунку, а в основании находится треугольник АВС(рис.3.4).

Замените действие жидкости на внешнюю сторону призмы соответствующей силой. Тогда выбранная Призма будет находиться в состоянии равновесия под действием следующих сил: iPx, iRg и iRn-силы гидростатического давления от окружающей жидкости. На боковые стороны призмы обычно действует N w. yPu-гидростатическое давление от окружающей жидкости. Действуя на торцевые грани призмы ABC, они перпендикулярны плоскости чертежа и уравновешены друг с другом(на рисунке не показаны).

Потому что призмы равны Полигоны этих сил(в данном случае треугольников) закрыты(рис. 3.4, в).Треугольник полномочий подобен треугольнику ABC, из закона подобия、 Арх Арп Арг ю к \ АБ » Солнце-СА」 Разделите все части этого уравнения на длину призмы ARX ARP AR2 / o АГАУ А1ау Ахау » Знаменателем каждой из этих формул является площадь соответствующей плоскости призмы. Размеры-ых, ю, ИИ и Си

Возможно эти страницы вам будут полезны:

1. Особые свойства воды.
2. Гидростатика и ее приложение. Силы, действующие на покоящуюся жидкость.
3. Основное дифференциальное уравнение равновесия жидкого тела. Поверхности равного давления.
4. Равновесие жидкости под действием силы тяжести. Давление в точке покоящейся жидкости.

Капилляры

Если в жидкость опустить тонкую трубку, называемую капилляром, то уровень жидкости, вошедшей в трубку, не будет равен уровню жидкости вне трубки. При этом, чем более тонкую трубку мы возьмем, тем большую разность уровней будем иметь.

Одни жидкости по капиллярным трубкам поднимаются, другие в них опускаются.

Можно заметить, что те жидкости, которые по трубкам поднимаются, смачивают их поверхность, а те, что опускаются, не смачивают.

Cмачивающая поверхность капиллярной трубки жидкость образует вогнутый мениск, а несмачивающая – выпуклый. В тонких капиллярах искривленную поверхность жидкости можно принять за полусферу.

Выдуем мыльный пузырь и поднесем трубочку, из которой он выдувался, к пламени свечи. Пламя отклоняется в сторону, что свидетельствует о том, что из трубочки под давлением выходит воздух.

Определим, как зависит давление воздуха, находящегося внутри мыльного пузыря, от его диаметра. Для этого выдуем из двух трубочек, соединенных друг с другом, два мыльных пузыря неодинаковых размеров. Закроем отверстие, через которое мы надували пузыри. Размеры пузырей начинают изменяться так, что большой пузырь становится еще больше, а маленький еще меньше.

Таким образом, избыточное давление под искривленной поверхностью (по отношению к давлению под плоской поверхностью) оказывается обратно пропорциональным радиусу кривизны поверхности:

Таким образом, избыточное давление жидкости под искривленной поверхностью:

где k – постоянный коэффициент, не имеющий наименования.

Зная значения коэффициента поверхностного натяжения для различных жидкостей по результатам измерений уже известным нам методом отрыва проволочки от поверхности жидкости, плотности этих жидкостей, высоты их поднятия в капиллярах и радиусы соответствующих капилляров, можно найти значение коэффициента k в записанном уравнении. Он оказывается равным 2. С учетом этого, уравнение, показывающее зависимость избыточного давления под сферической поверхностью жидкости, принимает вид:

Формулу для расчета высоты поднятия или опускания жидкости в капилляре можно получить и другим способом.

Следует иметь в виду, что приводимые рассуждения относятся к случаю, когда мениск имеет сферическую форму. Для этого случая результирующая сил взаимодействия молекул жидкости, входящей в капилляр, и вещества из которого изготовлен капилляр, направлена или вертикально вверх, или вертикально вниз. Уровень жидкости в капилляре изменяется в том направлении, в каком действует сила.

Допустим, капилляр смачивается жидкостью, и она поднимается по нему. Подъем будет происходить до тех пор, пока сила поверхностного натяжения не уравновесится силой тяжести, действующей на жидкость.

Приравняв значения этих сил и произведя ряд математических преобразований, мы можем получить уравнение, показывающее, от каких величин зависит высота подъема жидкости в капилляре.

В частности, оказывается, что эта высота находится в обратной зависимости от радиуса капилляра.

То, что для данной жидкости высота ее поднятия по капиллярному сосуду находится в обратно пропорциональной зависимости от радиуса сосуда, хорошо иллюстрирует следующий опыт.

После выполнения этих действий между пластинками образуется узкий клиновидный зазор. Слегка погрузим нижнюю кромку пластинок в кювету с водой.

Вода поднимается между пластинками так, что форма ее поверхности оказывается очень близкой к гиперболе.

Как уменьшить или увеличить давление

Тяжелый гусеничный трактор производит давление на почву, равное 40 — 50 кПа. Мальчик массой 45 кг производит давление всего лишь в 3 раза меньше, чем такой трактор. Это связано как раз с тем, что площадь гусениц больше.

В зависимости от того, какое давление хотят получить, площадь опор уменьшают или увеличивают. Например, чтобы уменьшить давление здания на грунт, в процессе строительства увеличивают площадь нижней части фундамента.

Шины грузовых автомобилей делают значительно шире легковых автомобилей (обратите внимание на колеса какой-нибудь большой фуры). Самые широкие шины можно увидеть на автомобилях, предназначенных для передвижения в пустыне

Тот же самый «лайфхак» используется в шасси самолетов.

Обратная зависимость тоже используется, например, при создании лезвий колющих и режущих инструментов. Острое лезвие имеет малую площадь, поэтому даже при небольшом нажатии создается большое давление.

Задачка раз

Книга лежит на столе. Масса книги равна 0,6 кг. Площадь ее соприкосновения со столом равна 0,08 м2. Определите давление книги на стол.

Решение:

На стол будет давить сила, равная весу книги. Так как она покоится, ее вес будет равен силе тяжести. Следовательно:

p = mg/S = 0,6*10/0,08 = 75 Па

Ответ: давление книги на стол будет равно 75 Па

Задачка два

Гусеничный трактор ДТ-75М массой 6610 кг имеет опорную площадь обеих гусениц 1,4 м2. Определите давление этого трактора на почву.

Решение:

Возьмем небольшую доску и вобьем гвозди в ее углы. Также возьмем емкость с песком и поставим конструкцию из доски и гвоздей в эту емкость. Сначала расположим конструкцию так, как показано на рисунке — «шляпками» вниз — и поставим на нее гирю. Конструкция не потонет в песке, а только чуть-чуть углубится.

p=m⋅g/S = 6610⋅10/1,4 = 47 214Па = 47,2 кПа.

Ответ: давление трактора на почву составляет 47,2 кПа

Задачка три

Человек массой 80 кг с сумкой весом 100 Н стоит неподвижно на полу. Сила давления подошв его ботинок на пол равномерно распределена по площади 600 см2. Какое давление человек оказывает на пол?

Решение:

Масса человека: m = 80 кг.

Вес сумки, которую держит человек: Pc = 100 Н.

Площадь соприкосновения подошвы ботинок с полом: S = 600 кв. см.

600 кв. см = 600/10000 кв. м = 0,06 кв. м

Давление — это отношение силы к площади, на которую она действует. В данном случае на площадь действует сила, равная сумме силы тяжести человека и веса сумки:

F = mg + Pc

Поэтому давление, оказываемое человеком с сумкой на пол, равно

p = (mg + Pc)/S = (80*10 + 100)/0,06 = 15 000 Па = 15 кПа

Ответ: давление человека, держащего сумку, на пол равно 15 кПа

Гидравлика

Гидравлика — это наука, изучающая законы равновесия и движения жидкостей и газов, в том числе паров жидкости, то есть воды. Если строго следовать научно-техническим канонам, то гидравлика, в отличие от теоретической гидромеханики, управляет сложным и строгим математическим аппаратом («Механика жидкостей и газов»), прежде всего, является технической наукой, главной задачей которой является решение проблем на практике. По этой причине разработка практических методов расчета в гидравлике очень часто предполагает использование различных предположений и допущений, во многих случаях ограничиваясь одномерными потоками в стационарных режимах. Во многих случаях используются результаты экспериментальных данных, которые после соответствующей математической обработки используются в качестве математических уравнений для решения целого ряда аналогичных задач.

Основные физические свойства жидкостей и газов

Указания к решению задач:

Основными физическими характеристиками жидкости являются плотность, вязкость, сжимаемость, температурное расширение, испаряемость. Характеристики определяются с помощью следующих формул:

плотность

удельный вес

динамическая вязкость где — коэффициент динамической вязкости ;

кинематическая вязкость

сжимаемость характеризуется модулем объемной упругости , входящим в обобщенный закон Гука. Знак минус обусловлен тем, что при увеличении давления объем жидкости уменьшается;

температурное расширение

определяется соответствующим коэффициентом, равным относительному изменению объема, при изменении температуры на 1 °С;

испаряемость Жидкости испаряются при любой температуре при наличии свободного объема. Испарение происходит с поверхности, причем тех молекул, которые имеют повышенную в 5-10 раз энергию по сравнению со средней. С повышением внешнего давления температура кипения увеличивается, а с понижением (вакуум) — уменьшается. Зависимость давления насыщенного пара от температуры выражается уравнением Клаузиуса-Клапейрона

где — мольная энтальпия испарения (кДж/моль); — мольное изменение объема в процессе испарения, равное .

При испарении жидкости резко изменяется объем паровой фазы по сравнению с жидкой, поэтому объемом жидкости в уравнении можно пренебречь, тогда

С учетом уравнения Менделеева-Клапейрона

запишем:

Интегрировав данное выражение получим формулу Клазиуса-Клапейрона

Возможно эта страница вам будет полезна:

Предмет гидравлика

Задача №1.2

Определить плотности воды и нефти при , если известно, что 10 л воды при 4 °С имеют массу кг, а масса того же объема нефти равна кг.

Решение:

плотность воды при заданных условиях:

а плотность нефти:

Критерий Рейнольдса

Такую зависимость вывел английский физик и инженер Осборн Рейнольдс (1842 — 1912).

Критерий, который помогает ответить на вопрос, есть ли необходимость учитывать вязкость, является число Рейнольдса Re. Оно равно отношению энергии движения элемента текущей жидкости к работе сил внутреннего трения.

Рассмотрим кубический элемент жидкости с длиной ребра n. Кинетическая энергия элемента равна:

Согласно закону Ньютона, сила трения, действующая на элемент жидкости, определяется так:

Работа этой силы при перемещении элемента жидкости на расстояние n составляет

а отношение кинетической энергии элемента жидкости к работе силы трения равно

Сокращаем и получаем:

Re — называется числом Рейнольдса.

Таким образом, Re — это безразмерная величина, которая характеризует относительную роль сил вязкости.

Например, если размеры тела, с которым соприкасаются жидкость или газ, очень малы, то даже при небольшой вязкости Re будет незначительно и силы трения играют преобладающую роль. Наоборот, если размеры тела и скорость велики, то Re >> 1 и даже большая вязкость почти не будет влиять на характер движения.

Однако не всегда большие числа Рейнольдса означают, что вязкость не играет никакой роли. Так, при достижении очень большого (несколько десятков или сотен тысяч) значения числа Re плавное ламинарное (от латинского lamina — «пластинка») течение превращается в турбулентное (от латинского turbulentus — «бурный», «беспорядочный»), сопровождающееся хаотическими, нестационарными движениями жидкости. Этот эффект можно наблюдать, если постепенно открывать водопроводный кран: тонкая струйка течёт обычно плавно, но с увеличением скорости воды плавность течения нарушается. В струе, вытекающей под большим напором, частицы жидкости перемещаются беспорядочно, колеблясь, всё движение сопровождается сильным перемешиванием.

Появление турбулентности весьма существенно увеличивает лобовое сопротивление. В трубопроводе скорость турбулентного потока меньше скорости ламинарного потока при одинаковых перепадах давления. Но не всегда турбулентность плоха. В силу того что перемешивание при турбулентности очень значительно, теплообмен — охлаждение или нагревание агрегатов — происходит существенно интенсивнее; быстрее идёт распространение химических реакций.

Общие сведения по гидравлическому расчету трубопроводов

При расчете
трубопроводов рассматривается
установившееся, равномерное напорное
движение любой жидкости, отвечающее
турбулентному режиму, в круглоцилиндрических
трубах. В напорных трубопроводах жидкость
находится под избыточным давлением, а
поперечные сечения их полностью
заполнены. Движение жидкости по
трубопроводу происходит в результате
того, что напор в начале его больше, чем
в конце.

Гидравлический
расчет производится с целью определения
диаметра трубопровода d
при известной
длине для обеспечения пропуска
определенного расхода жидкости Q
или установления
при заданном диаметре и длине необходимого
напора и расхода жидкости. Трубопроводы
в зависимости от длины и схемы их
расположения подразделяются на простые
и сложные. К простым трубопроводам
относятся трубопроводы, не имеющие
ответвлений по длине, с постоянным
одинаковым расходом.

Трубопроводы
состоят из труб одинакового диаметра
по всей длине или из участков труб разных
диаметров и длин. Последний случай
относится к последовательному соединению.

Простые трубопроводы
в зависимости от длины с участком местных
сопротивлений разделяют на короткие и
длинные. Короткими
трубопроводами
являются
трубопроводы с достаточно малой длиной,
в которых местные сопротивления
составляют более 10% гидравлических
потерь по длине. Например, к ним относят:
сифонные трубопроводы, всасывающие
трубы лопастных насосов, дюкеры (напорные
водопроводные трубы под насыпью дороги),
трубопроводы внутри зданий и сооружений
и т.п.

Длинными
трубопроводами
называют
трубопроводы сравнительно большой
длины, в которых потери напора по длине
значительно преобладают над местными
потерями. Местные потери составляют
менее 5

Сложные трубопроводы
имеют по длине различные ответвления,
т.е. трубопровод состоит из сети труб
определенных диаметров и длин. Сложные
трубопроводы подразделяются на
параллельные, тупиковые (разветвленные),
кольцевые (замкнутые) трубопроводы,
которые входят в водопроводную сеть.

Гидравлический
расчет трубопровода сводится, как
правило, к решению трех основных задач:

• определение
  расхода трубопровода Q,
  если известны
  напор H,
  длина l
  и диаметр d
  трубопровода,
  с учетом наличия определенных местных
  сопротивлений или при их отсутствии;

• определение
  потребного напора H,
  необходимого для обеспечения пропуска
  известного расхода Q
  по трубопроводу
  длиной l
  и диаметром d;

• определение
  диаметра трубопровода d
  в случае
  известных величин напора H,
  расхода Q
  и длины l.

Давление жидкости

Из закона Паскаля следует, что раз давление передается одинаково во всех направлениях, то верхние слои жидкости давят на средние, средние — на нижние, нижние — на дно сосуда.

Давление внутри жидкости на одном и том же уровне одинаково по всем направлениям. С глубиной давление увеличивается.

Это утверждение проверяется с помощью манометра — прибора для измерения давления. Чем глубже мы измеряем давление, тем больше показания.

Давление столба жидкости p = ρgh ρ — плотность [кг/м3] h — высота столба жидкости g — ускорение свободного падения [м/с2] На Земле g = 9,8 м/с2

Формула давления столба жидкости часто требуется в задачах.

Задачка раз

На горизонтальном столе стоят два цилиндрических сосуда — узкий и широкий (см. рисунок). В узкий сосуд налита вода, в широкий — керосин. Уровень жидкости в сосудах одинаковый. Сравните давления p жидкостей в точках A, B, C, D и выберите правильную пару утверждений.

Решение

Давление столба жидкости прямо пропорционально ее плотности и высоте столба. Плотность воды больше плотности керосина, следовательно, давление в точке A больше давления в точке C. Давления в точках B и D равны.

Правильный ответ указан под номером 4.

Задачка два

В сосуд с водой плотностью ρ = 998 кг/м3 опущена вертикальная стеклянная пробирка, целиком заполненная водой (см. рисунок). Высота h₁ равна 0,3 м. Найдите давление, оказываемое водой на дно сосуда в точке А. Ускорение свободного падения примите равным 10 м/с2.

Решение

Поскольку вода не вытекает из пробирки, давление столба высотой h₂ на жидкость в сосуде высотой h₁ уравновешено давлением, которое оказывает вода в сосуде на столб воды в пробирке. Сосуд открытый, поэтому на него действует внешнее давление, которое и передается столбу воды. В результате столб воды в пробирке не оказывает дополнительного давления на точку А, поэтому давление, оказываемое водой на дно сосуда в точке А, равно p = ρgh1. Тогда:

p = ρgh₁ = 998 × 10 × 0,3 = 2 994 Па

Ответ: 2 994 Па.

Уравнение Навье — Стокса для вязких жидкостей

В более строгой формулировке линейная зависимость вязкого трения от изменения скорости движения жидкости называется уравнением Навье — Стокса. Оно учитывает сжимаемость жидкостей и газов и, в отличие от закона Ньютона, справедливо не только вблизи поверхности твёрдого тела, но и в каждой точке жидкости (у поверхности твёрдого тела в случае несжимаемой жидкости уравнение Навье — Стокса и закон Ньютона совпадают).

Любые газы, для которых выполняется условие сплошной среды, подчиняются и уравнению Навье — Стокса, т.е. являются ньютоновскими жидкостями.

Вязкость жидкости и газа обычно существенна при относительно малых скоростях, потому иногда говорят, что гидродинамика Эйлера — это частный (предельный) случай больших скоростей гидродинамики Навье — Стокса.

При малых скоростях в соответствии с законом вязкого трения Ньютона сила сопротивления тела пропорциональна скорости. При больших скоростях, когда вязкость перестаёт играть существенную роль, сопротивление тела пропорционально квадрату скорости (что впервые обнаружил и обосновал Ньютон).

Гидростатическое давление

Гидростатическое давление — это
внутренняя сжимающая сила, обусловленная
действием внешних сил, приложенная в
данной точке жидкости. Такое давление
по всем направлениям одинаково и зависит
от положения точки в покоящейся жидкости.

Размерность гидростатического давления
в системе МКГСС—кг/см2или т/м2,
в системе СИ — Н/м2.

Основные соотношения единиц измерения
давления:

	кг/см2	Н/м2
Техническая атмосфера	1	98066,5
Миллиметр водяного столба	0,0001	9,80665
Миллиметр ртутного столба	0,00136	133,32

При практических расчетах 1 техническая
атмосфера = 1 кг/см2= 10 м вод. ст. =
735 мм рт. ст. = 98070 Н/м2.

Для несжимаемой жидкости, находящейся
в равновесии под дей­ствием силы
тяжести, полное гидростатическое
давление в точке:

p=p+

где р— давление на свободной
поверхности жидкости;

поперечного сечения, равной единице;

h— глубина погружения
точки;

Для некоторых жидкостей значения
удельного веса, используемые при решении
задач, приведены в приложении (табл.
П-3).

Величина превышения давления над
атмосферным (p_a)
называется манометрическим, или
избыточным, давлением:

Если давление на свободной поверхности
равно атмосферному, то избыточное
давление р_м=

Недостающая до атмосферного давления
величина называется ва­куумом:

р_вак= р_а– р.

Решение большинства задач данного
раздела связано с использова­нием
основного уравнения гидростатики

где z— координата или
отметка точки.

5 Гидравлические потери

Разность
давлений масла в двух сечениях одного
и того же трубопровода при условии, что
первое расположено выше по течению, а
второе – ниже, определяется уравнениемБернулли

,

где
h₂
– h₁
– разность высот центров тяжести
сечений от произвольно выбранного
горизонтального уровня;

v₁,
v₂
– cредние скорости масла в сечениях;

g – ускорение силы
тяжести;

Уравнение
Бернулли в полном виде используется
для расчета всасывающих линий насосов;
в остальных случаях первым слагаемым,
как правило, пренебрегают и считают:

Гидравлические
потери обычно разделяют на местные
потери и потери на трение по длине
трубопровода (линейные).

1.5.1Местные потери
энергии обусловлены местными
гидравлическими сопротивлениями,
вызывающими деформацию потока. Местными
сопротивлениями являются: сужения,
расширения, закругления трубопроводов,
фильтры, аппаратура управления и
регулирования и пр. При протекании
жидкости через местные сопротивления
изменяется её скорость и обычно возникают
крупные вихри.

Потери
давления от местных сопротивлений
определяют по формуле Вейсбаха:

МПа
(илиПа),

где
 

v
– средняя по сечению скорость потока
в трубе за местным сопротивлением, м/с;

,
Н/м3;
g=9,81 м/с2.

Каждое
местное сопротивление характеризуется
своим значением коэффициента

Значения

потоки
складываются, расходятся; поток
проходящий;

при
повороте трубопровода

Значения

При
ламинарном режиме (Re

Потери
давления от местных сопротивлений при
ламинарном режиме определяются по
формуле:

МПа,

где

_л

Величины
потерь давления в стандартных
гидравлических устройствах для
номинального расхода жидкости обычно
приводятся в их технических характеристиках.

1.5.2Потери на
трение по длине
— это потери энергии, которые возникают
в прямых трубах постоянного сечения,
т.е. при равномерном течении жидкости,
и возрастают пропорционально длине
трубы. Эти потери обусловлены внутренним
трением в жидкости, а поэтому имеют
место и в шероховатых, и в гладких трубах.

Потери
давления на трение в трубопроводе
определяется по формуле Дарси:

МПа,

где

l
и d
– длина и внутренний диаметр трубопровода,
мм.

Эта
формула применима как при ламинарном,
так и при турбулентном течении; различие
заключается лишь в значениях коэффициента

При
ламинарном режиме (Re

При
турбулентном течении коэффициент трения
является не только функцией числа Re, но
зависит и от шероховатости внутренней
поверхности трубы. Для гидравлически
гладкой трубы,
т.е. с такой шероховатостью, которая
практически не влияет на ее сопротивление,
коэффициент трения при турбулентном
режиме можно определить по формуле П.К.
Конакова:

Трубу
считают гидравлически гладкой, если
(d/k)>(Re/20),
где k – эквивалентная шероховатость,
мм. Например, для новых бесшовных стальных
труб k≈0,03
мм, а после нескольких лет эксплуатации
k≈0,2
мм, для новых цельнотянутых труб из
цветных металлов k≈0,005
мм. Такие трубы часто используются в
гидросистемах металлорежущих станков.

Коэффициент
трения при турбулентном режиме можно
определить по формуле Альтшуля,
являющейся универсальной (т.е. применимой
в любых случаях):

Примеры задач с гидростатическим давлением

Пример 1

Задание. В чем состоит суть гидростатического парадокса?

Решение. Гидростатическим парадоксом называют явление, при котором сила весового давления жидкости, находящейся в сосуде отличается от веса находящейся там жидкости. Сила давления жидкости на дно емкости равняется весу жидкости только в том случае, если сосуд имеет форму цилиндра. При такой конфигурации емкости стенки являются вертикальными, силы давления стенок на жидкость (соответственно, жидкости на стенки) направлены горизонтально, вертикальной составляющей они не имеют (рис.1).

Если сосуд имеет вверху поперечное сечение больше, чем сечение дна, то сила давления на дно меньше, чем вес жидкости. И наоборот, если сосуд с жидкостью имеет сужающееся вверху горло, то сила давления на дно сосуда больше, чем вес жидкости. Причиной возникновения гидростатического парадокса является то, что жидкость оказывает давление не только на дно сосуда, но давит и на его стенки. При этом давление на стенки сосуда, расположенные не перпендикулярно основанию имеют вертикальную составляющую. При этом в сосуде, который расширяется к верху, эта составляющая направлена вверх, а в сосуде, уменьшающем свое сечение к верху, вертикальная составляющая давления направлена вниз. Вес жидкости вычисляется как сумма всех вертикальных компонент давления жидкости по внутренней площади емкости.

   

Пример 2

Задание. Каково гидростатическое давление воды на дно сосуда с водой, если высота столба жидкости составляет $h=$0,5 м?

Решение. Гидростатическое давление на дно сосуда найдем как:

\

где $\rho =1000\ \frac{кг}{м^3}$.

Вычислим это давление:

\

Ответ. $p\approx 5000$ Па

Уравнение Бернулли стационарного движения

Одно из важнейших уравнений гидромеханики было получено в 1738 г. швейцарским учёным Даниилом Бернулли (1700 — 1782). Ему впервые удалось описать движение идеальной жидкости, выраженной в формуле Бернулли.

Идеальная жидкость — жидкость, в которой отсутствуют силы трения между элементами идеальной жидкости, а также между идеальной жидкостью и стенками сосуда.

Уравнение стационарного движения, носящее его имя, имеет вид:

где P — давление жидкости, ρ − её плотность, v — скорость движения, g — ускорение свободного падения, h — высота, на которой находится элемент жидкости.

Смысл уравнения Бернулли в том, что внутри системы заполненной жидкостью (участка трубопровода) общая энергия каждой точками всегда неизменна.

В уравнении Бернулли есть три слагаемых:

• ρ⋅v2/2 — динамическое давление — кинетическая энергия единицы объёма движущей жидкости;
• ρ⋅g⋅h — весовое давление — потенциальная энергия единицы объёма жидкости;
• P — статическое давление, по своему происхождению является работой сил давления и не представляет собой запаса какого-либо специального вида энергии («энергии давления»).

Это уравнение объясняет почему в узких участках трубы растёт скорость потока и падает давление на стенки трубы. Максимальное давление в трубах устанавливается именно в месте, где труба имеет наибольшее сечение. Узкие части трубы в этом отношении безопасны, но в них давление может упасть настолько, что жидкость закипит, что может привести к кавитации и разрушению материала трубы.

Чему в среднем равна гидростатика H2O?

Молекулярные частицы, собранные в некотором объеме, подвержены воздействию силы сжатия. Разные молекулы испытывают разное ГДВ. Это зависит от конкретного местоположения частиц в водном объеме. На поверхности сжатие меньше, на глубине, больше.

Вычислить значение ГДВ можно по формуле: P = pgh,

где:

• p – плотность воды (зависит от температуры, в округленном значении – 1 г/мл);
• g – значение ускорения свободного падения (9,8 м/сек²);
• h – глубина, где будет определяться давление.

Чтобы узнать среднее значение ГДВ для заданного объема, следует воспользоваться формулой:

Pср = P/S, где:

• P – гидростатическое давление, действующее на дно резервуара с водой;
• S – площадь дна емкости.

Разновидности

Виды гидростатического давления:

Абсолютное, или полное – это давление в любых произвольно взятых точках или жидкостном сечении, равному наружной силе д-ния на ее свободной поверхность P0 и сложенному со столбом жидкостного давления pgh. Показатель основания жидкостного давления при этом равен единице измерения площади, а высота соответствует глубине, на которую погружена точка или жидкостное сечение:

P = P+ pgh

Манометрический, или избыточный, вид давления – это величина разности между атмосферным д-нием и гидростатическим д-нием абсолютного типа. Оно характеризует уровень избытка в сравнении с атмосферным:

P_абс = P_атм + P_изб

P_изб = P_абс — P_атм

Степень разности между давлением атмосферного и абсолютного типа называют вакуумметрическим д-нием. Ее роль заключается в указании нехватки давления до уровня атмосферного.