Предмет гидравлики

Науку о законах равновесия и движения жидкостей и о способах приложения этих законов к решению практических задач называют гидравликой. В гидравлике рассматривают потоки жидкости, ограниченные и направленные твердыми стенками, т.е. течения в открытых и закрытых руслах (каналах), различных трубопроводах, насадках, элементах гидромашин и других устройств, внутри которых протекает жидкость.

Таким образом, можно сказать, что в гидравлике изучают в основном внутренние течения жидкостей и решают так называемую внутреннюю задачу в отличие от внешней, связанной с внешним обтеканием тел сплошной средой, которое имеет место при движении твердого тела в жидкости или газе (воздухе). Внешнюю задачу рассматривают в аэрогидромеханике.

В понятие «жидкость» включают все тела, для которых свойственна текучесть, т. е. способность сильно изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил. Это как жидкости обычные, называемые капельными, так и газы. Важной особенностью капельных жидкостей является то, что они ничтожно мало изменяют свой объем при изменении давления, поэтому их обычно считают несжимаемыми. Газы, наоборот, могут значительно уменьшаться в объеме под действием давления и неограниченно расширяться при отсутствии давления, т. е. они обладают большой сжимаемостью.

В гидравлике изучают движения капельных жидкостей, которые рассматривают как несжимаемые. Внутренние течения газа относятся к области гидравлики лишь в тех случаях, когда их скорости значительно меньше скорости звука и, следовательно, сжимаемостью газа можно пренебречь (несжимаемые газы). Такие случаи движения встречаются в практике довольно часто (например, течение воздуха в вентиляционных системах, в системах кондиционирования воздуха и некоторых газопроводах).

1.2. Силы, действующие на жидкость.
Давление в жидкости

Вследствие текучести в жидкости действуют силы, непрерывно распределенные по ее объему (массе) или поверхности. В связи с этим силы разделяют на массовые (объемные) и поверхностные.

Массовые силы пропорциональны массе жидкости или, для однородной жидкости, - ее объему. К ним относятся сила тяжести и сила инерции переносного движения.

Поверхностные силы непрерывно распределены по поверхности жидкости и при равномерном их распределении пропорциональны площади этой поверхности. Эти силы обусловлены непосредственным воздействием соседних объемов жидкости на данный объем или же воздействием других тел (твердых или газообразных), соприкасающихся с данной жидкостью.

В общем случае поверхностная сила ∆R, действующая на площадке ∆S, направлена под некоторым углом к ней, и ее можно разложить на нормальную ∆F (сила давления) и тангенциальную ∆T (сила трения) составляющие (рис. 1.1).

Как массовые, так и поверхностные силы рассматривают обычно в виде единичных сил, т. е. сил, отнесенных к соответствующим единицам. Массовые силы относят к единице массы, а поверхностные – к единице площади.

Так как массовая сила равна произведению массы на ускорение, следовательно, единичная массовая сила численно равна соответствующему ускорению.

Единичная поверхностная сила, называемая напряжением поверхностной силы, раскладывается на нормальное и касательное напряжения.

Нормальное напряжение, т.е. напряжение силы давления, называется гидромеханическим (в случае покоя – гидростатическим) давлением, или просто давлением, и обозначается буквой р.

Если сила давления ∆F равномерно распределена по площадке ∆S, то среднее гидромеханическое давление определяют по формуле:

(1.1)

В общем случае гидромеханическое давление в данной точке равно пределу, к которому стремится отношение силы давления к площади ∆S, па которую она действует, при уменьшении ∆S до нуля, т. е. при стягивании ее к точке:

(1.2)

Если давление р отсчитывают от абсолютного нуля, то его называют абсолютным, а если отсчитывают от атмосферного давления p _a, то его называют избыточным (р _изб) или манометрическим. Следовательно, абсолютное давление:

р _абс = р _а + р _изб

За единицу давления в Международной системе единиц (СИ) принят паскаль – давление, вызываемое силой 1Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м²:

1 Па = 1 Н/м²

В технике продолжают применять также систему единиц МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда), в которой за единицу давления принимается 1 кгс/м². Используют также внесистемные единицы – техническую атмосферу и бар:

1 ат = 1 кгс/см² = 10000 кгс/м²;
1 бар = 10⁵ Па = 1,02 ат.

Соотношение между единицами давления в системах СИ и МКГСС следующее:

1 Па = 0,102 кгс/м² или 1 кгс/м² = 9,81 Па.

Касательное напряжение в жидкости, т. е. напряжение трения, обозначается буквой τ и выражается пределом:

(1.3)