В состоянии равновесия на жидкость действуют внешние силы двух видов: поверхностные и массовые.
Поверхностные силы пропорциональны площади той поверхности, по отношению к которой рассматривают их действие. Такая поверхность может находиться на границе раздела жидкости и газа или жидкости и твердого тела. Например, сила действия столба атмосферного воздуха на поверхность воды в пруду во много раз больше, чем на поверхность воды в стакане.
Массовые силы, по определению, пропорциональны массе жидкости. Их природа может быть различной. В гидравлике в качестве массовых сил рассматривают силы тяжести и инерции (в том числе центробежные силы). Например, железнодорожная цистерна начинает движение с территории завода с ускорением. При этом залитая в нее жидкость испытывает действие массовых сил: собственного веса и сил инерции, вызванных ускорением.
Суммарную внешнюю силу, являющуюся результатом действия поверхностных и массовых сил на единицу площади поверхности, называют гидростатическим давлением р:
|
|
р = F/S,
где S — площадь поверхности, м2, на которую действует сила F, Н.
Единица измерения давления — Н/м2, или Па (паскаль).
Гидростатическое давление обладает следующими свойствами. Во-первых, оно всегда действует перпендикулярно поверхности раздела и направлено внутрь объема жидкости. Это означает, что давление является сжимающим. Каждую частицу жидкости сжимают со всех сторон окружающие ее частицы. Во-вторых, гидростатическое давление в каждой данной точке жидкости одинаково по всем направлениям (независимо от ориентации площадки, на которую оно действует).
|
Давление может быть измерено относительно нулевого значения — абсолютного вакуума. В этом случае его называют абсолютным. В производственной практике понятие абсолютного давления применяют редко, например при расчете допустимой высоты всасывания насоса (см. гл. 7). характеризуется отрицательным давлением по отношению к атмосферному. Понятия вакуума, абсолютного и избыточного давления проиллюстрированы на рис. 6.1.
Основное уравнение гидростатики.
Это уравнение, позволяющее определить давление р в любой точке покоящейся жидкости.
Его записывают в следующем виде:
(6.1)
где — давление на поверхности жидкости (это может быть давление газа или поршня); g — ускорение свободного падения; h — расстояние от рассматриваемой точки до поверхности. Согласно закону Паскаля давление , создаваемое внешними силами на поверхности жидкости в замкнутом сосуде, передается одинаково во все точки жидкости. В соответствии с этим законом давление, действующее на поверхности жидкости, будет добавляться к давлению в каждой точке объема независимо от ее положения по глубине.
|
|
Действие закона Паскаля можно проследить на примере работы гидравлического пресса (рис. 6.2), предназначенного для получения больших усилий при прессовании материалов. Этот пресс включает в себя два цилиндра разного диаметра, соединенные трубой. В цилиндры помещены поршни. При воздействии силы на поршень меньшего диаметра с площадью сечения на жидкость будет оказано давление
По закону Паскаля это давление передается во все точки жидкости в замкнутом пространстве, в том числе на поверхность поршня сечением .Тогда сила воздействия на этот поршень
Выразив р через силу получим цилиндру с сечением малой площади, создают необходимое для испытаний значительное давление, которое по закону Паскаля передается через соединительные трубки и воздействует на все стенки корпуса испытуемого аппарата.
Если в практических расчетах оперировать избыточным давлением, полагая, что в открытом сосуде давление на поверхности жидкости равно нулю ( = 0), то согласно формуле (6.1) давление на глубине h
Горизонтальную плоскость, проведенную на произвольной высоте (там, где удобно), в гидравлике называют плоскостью сравнения.
Если от плоскости сравнения провести вертикаль до некоторой точки жидкости, например точки A на рис. 6.3, то ее высоту в гидравлике называют геометрическим напором z в точке А.
Если к сосуду на некоторой глубине (на уровне точки А) присоединить открытую сверху вертикальную трубку (ее называют пьезометрической), то жидкость поднимется в ней до определенной высоты. Эту высоту называют пьезометрическим напором .
В сумме геометрический напор 1 и пьезометрический напор hp образуют гидростатический напор hr.
Приборы для измерения давления.
По способу измерения давления приборы разделяют на жидкостные и механические. Простейшим жидкостным прибором является пьезометр — пьезометрическая трубка, снабженная шкалой (его конструкция соответствует схеме, приведенной на рис. 6.3). При известной глубине h точки присоединения пьезометра можно определить давление на поверхности :
|
В производственных условиях для измерения больших значений давления применяют компактные и прочные механические манометры. Эти приборы снабжены упругими механическими элементами — полыми изогнутыми пружинами или мембранами, которые деформируются при изменении давления. Перемещение упругих элементов передается стрелке, снабженной шкалой. Схемы таких механических манометров представлены на рис. 6.5.
|
|
|
|
|
|
1) если аппарат открытый, то атмосферное давление р0 действует на крышку как со стороны жидкости, так и снаружи. Соответствующие силы уравновешивают друг друга, поэтому расчет выполняют без учета давления :
2) если давление на поверхности жидкости многократно превышает давление, создаваемое столбом жидкости (что имеет место в поршневых насосах, гидроцилиндрах объемного гидропривода, аппаратах, работающих при высоком давлении), то силу Р определяют по формуле