Силы, действующие в жидкости

Жидкостью называется физическое тело способное изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил, т.е., как принято говорить, жидкость обладает текучестью.

Жидкости делятся на два класса: капельные и газообразные (газы). Капельные жидкости способны образовывать капли. Если их объем меньше объема сосуда, они занимают часть его. В этом случае они имеют поверхность раздела капельной жидкости с газом, называемую свободной поверхностью.

Газы занимают весь предоставленный им объем. В курсе гидравлики изучаются только капельные жидкости, называемые просто жидкостями.

Жидкость рассматривается как сплошная среда, т.е. среда без пустот и переуплотнений (по-латыни такая среда называется континуум).

Вследствие текучести жидкости в ней принципиально не могут существовать сосредоточенные силы, а только равномерно приложенные к объему (массе) или к поверхности. Поэтому силы, действующие в жидкости, подразделяют на объемные (массовые) и поверхностные.

Массовые силы в соответствии со вторым законом Ньютона пропорциональны массе жидкости или ее объему. К ним относятся сила тяжести и сила инерции переносного движения, т.е. на элементарный объем жидкости ΔW c плотностью ρ, движущийся с ускорением Ј действует массовая сила ΔF = ρΔW·Ј.

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

В общем случае при движении жидкости поверхностная сила ΔR, действующая на элементарной площади Δw, направлена под некоторым углом к ней, и силу ΔR можно разложить на нормальную ΔР и тангенциальную ΔТ составляющие (рис. 1.1).

Рис. 1.1

Нормальное напряжение в жидкости называется давлением.

Истинное давление

. (1.1)

Среднее давление на заданной поверхности

Н/м² (1.2)

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

Истинное касательное напряжение

. (1.3)

Среднее касательное напряжение на заданной поверхности

, Н/м² (1.4)

Способность жидкости воспринимать сжимающие усилия (давления) ничем не ограничена. Этого нельзя сказать о растягивающих усилиях. Наличие в жидкостях мельчайших твердых частиц и растворенного воздуха делает их практически не сопротивляющимися растяжению. Примем это утверждение за аксиому.