Силы, действующие на жидкость. Давление в жидкости

В гидравлике, как и в гидромеханике вообще, отвлекаются от молекулярного строения вещества и рассматривают жидкость как непрерывную среду, заполняющую пространство без пустот и промежутков, т.е. как континуум.

Вследствие текучести жидкости (подвижности ее частиц), в ней не могут действовать сосредоточенные силы, а возможно лишь действие сил, непрерывно распределенных по ее объему (массе) или - по поверхности. В связи с этим силы, действующие на рассматриваемые объемы жидкости и являющиеся по отношению к ним внешними силами, подразделяются на массовые (объемные) и поверхностные.

Массовые силы пропорциональны массе жидкого тела, или, для однородных жидкостей, пропорциональны его объему.

Это, прежде всего, сила тяжести, а затем силы инерции переносного движения, действующие на жидкость при относительном ее покое в ускоренно движущихся сосудах или при относительном движении жидкости в руслах, перемещающихся с тем или иным ускорением.

К числу массовых сил относятся также силы, вводимые в рассмотрение по принципу Даламбера при составлении уравнений движения жидкости.

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

Рис. 1.4. Разложение поверхностной силы на составляющие

В общем случае поверхностная сила DR, действующая на площадке DS, направлена под некоторым углом к ней и силу DR можно разложить на нормальную DР и тангенциальную DT составляющие (рис. 1.4). Первая, если она направлена внутрь объема, называетсясилой давления, а вторая - силой трения.

Как массовые, так и поверхностные силы в гидромеханике рассматриваются обычно в виде единичных сил, т.е. сил, отнесенных к соответствующим единицам. Массовые силы относятся к единице массы, а поверхностные - к единице площади.

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

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

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

Если сила давления DР равномерно распределена по площадке DS или нужно найти среднее значение гидромеханического давления, то последнее определяется по формуле

В общем же случае гидромеханическое давление в данной точке равно пределу, к которому стремится отношение силы давления к площадке, по которой она действует при стремлении величины площадки к нулю, т.е. при стягивании площадки в точку.

Если давление р отсчитывается от нуля, то оно называется абсолютным, если же давление отсчитывается от атмосферного, то его называют избыточным, или манометрическим.

Следовательно, абсолютное давление равно атмосферному плюс избыточное, т.е.

p_абс=р_A+р_изб.

За единицу давления в международной системе единиц (СИ) принято равномерно распределенное давление, при котором на площадь в 1 м² действует сила в 1 ньютон, т.е. 1 н/м².

Наряду с этой единицей давления применяют следующие укрупненные единицы: деканьютон на м² (дан/м²), килоньютон на м² (кн/м²).и меганыотон на м² (Мн/м²). Таким образом имеем

1 н/м²=10^-1 дан/м²=10^-3кн/м²

В технике пока применяется также система единиц МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда), в которой за единицу давления принимается 1 кГ/м². Широко используется также внесистемная единица - техническая атмосфера, равная одному килограмму-силе на см², т.е.

1 ат=1 кГ/см2=10000 кГ/м2

Соотношение между единицами, давления в системах СИ в КГСС следующее:

1 н/м²=0,102 кГ/м², или 1 кГ/м²=9,81 н/м².

Касательное напряжение в жидкости, т.е. напряжение трения, обозначается т и выражается, подобно давлению, пределом