Силы, действующие на жидкий объем.
На жидкий объем могут действовать две разновидности сил(рис. 1.1)
- массовые и
- поверхностные.
Рис.1.1.
Массовые силы – это силы, приложенные ко всем жидким частицам. Массовые силы по величине пропорциональны массе. В связи с этим, очевидно, что к массовым силам относятся:
- силы тяжести,
- силы инерции,
Поверхностные силы – это силы, которые воздействуют на жидкий объем через его поверхность. Общее усилие при равномерном распределении этих сил пропорционально площади поверхности.
Напряжением массовой силы считается отношение вектора массовой силы к массе жидкой частицы, на которую она действует:
- вектор массовой силы, приложенный к массе.
Раскладывая вектор напряжения массовой силы по координатным осям имеем:
где - единичные векторы.
- проекции вектора напряжения массовых сил на координатные оси.
Напряжение массовой силы или, т.н. е диничные массовые силы (или силы, приходящиеся на единицу массы) имеют смысл и размерность ускорения [м/c2].
|
|
Напряжения поверхностных сил в точке – это предел отношения соответствующих сил к площадке при стягивании ее в точку:
Нормальная составляющая (нормальное напряжение):
Касательная составляющая (напряжение трения):
Нормальное напряжение, взятое с обратным знаком, называется гидромеханическим давлением.
В случае покоя жидкости - гидростатическим давлением.
Размерность давления р=[н/м2] - это Паскаль.
103Па=1кПа; 106Па=1МПа.
В настоящее время еще довольно часто используется техническая система единиц для измерения давления:
1 атм=10м вод.ст. = 1кгс/см2=9,81·104н/м2=105Па=0,1МПа=735мм.рт.ст.
При измерении давления различают абсолютное давление, избыточное давление и вакуум (рис 1.2).
Рис.1.2.
Для открытых резервуаров, сообщающихся с атмосферой (рис. 1.3), внешнее давление на жидкость равно атмосферному давлению p o = pатм = 101325 Па 1 ат.
Избыточное давление (манометрическое) есть разность между полным и атмосферным давлением.
Рис. 1.3.
Давление в жидкости измеряется приборами:
¾ пьезометрами,
¾ манометрами,
¾ вакуумметрами.
Пьезометры и манометры измеряют избыточное (манометрическое) давление, то есть они работают, если полное давление в жидкости превышает величину, равную одной атмосфере p= 1 кгс/см 2 = 0,1 МПа. Эти приборы показывают долю давления сверх атмосферного. Для измерения в жидкости полного давления p необходимо к манометрическому давлению pман прибавить атмосферное давление pатм, снятое с барометра. Практически же в гидравлике атмосферное давление считается величиной постоянной pатм= 101325 » 100000 Па.
|
|
Пьезометр обычно представляет собой вертикальную стеклянную трубку, нижняя часть которой сообщается с исследуемой точкой в жидкости, где нужно измерить давление (например, точка А на рис.1.3), а верхняя её часть открыта в атмосферу. Высота столба жидкости в пьезометре hp является показанием этого прибора и позволяет измерять избыточное (манометрическое) давление в точке по соотношению
,
где hp — пьезометрический напор (высота), м.
Упомянутые пьезометры применяются главным образом для лабораторных исследований. Их верхний предел измерения ограничен высотой до 5 м, однако их преимущество перед манометрами состоит в непосредственном измерении давления с помощью пьезометрической высоты столба жидкости без промежуточных передаточных механизмов.
В качестве пьезометра может быть использован любой колодец, котлован, скважина с водой или даже любое измерение глубины воды в открытом резервуаре, так как оно даёт нам величину hp.
Манометрычаще всего применяются механические, реже — жидкостные. Все манометры измеряют не полное давление, а избыточное
.
Преимуществами их перед пьезометрами являются более широкие пределы измерения, однако есть и недостаток: они требуют контроля их показаний. Манометры, выпускаемые в последнее время, градуируются в единицах СИ: МПа или кПа. Однако ещё продолжают применяться и старые манометры со шкалой в кгс/см 2, они удобны тем, что эта единица равна одной атмосфере. Нулевое показание любого манометра соответствует полному давлению p, равному одной атмосфере.
Вакуумметр по своему внешнему виду напоминает манометр, а показывает он ту долю давления, которая дополняет полное давление в жидкости до величины одной атмосферы. Вакуум в жидкости — это не пустота, а такое состояние жидкости, когда полное давление в ней меньше атмосферного на величину pв, которая измеряется вакуумметром. Вакуумметрическое давление pв, показываемое прибором, связано с полным и атмосферным так:
.
Величина вакуума pв не может быть быть больше 1 ат, то есть предельное значение pв» 100000 Па, так как полное давление не может быть меньше абсолютного нуля.
Приведём примеры снятия показаний с приборов:
— пьезометр, показывающий hp= 160 см вод. ст., соответствует в единицах СИ давлениям pизб= 16000 Па и p= 100000+16000=116000 Па;
— манометр с показаниями pман = 2,5 кгс/см2 соответствует водяному столбу hp= 25 м и полному давлению в СИ p = 0,35 МПа;
— вакуумметр, показывающий pв= 0,04 МПа, соответствует полному давлению p= 100000-40000=60000 Па, что составляет 60 % от атмосферного.