Гидростатика

ЧАСТЬ 1: ГИДРОСТАТИКА. 

     2. Что изучает гидростатика? В чём её значение  для инженеров-строителей? 

      Современная гидравлика является технической наукой. Предметом гидравлики служат жидкости и законы, действующие в них  и используемые преимущественно  при решении разнообразных вопросов инженерной практики, как, например, при  расчетах потоков в трубопроводах, гидротехнических сооружений, гидравлических машин и т.д.  

     Гидравлика  делится на 2 части: гидростатику и  гидродинамику. Гидростатика изучает  законы движения жидкостей и взаимодействие их с соприкасающимися с ними покоящимися  или движущимися твердыми телами.  

     12. Какими приборами  определяется вязкость  жидкости? Что такое  условная вязкость? 

     Вязкость – свойство жидкости оказывать сопротивление относительному сдвигу ее слоев. Вязкость проявляется в том, что при относительном перемещении слоев жидкости на поверхностях их соприкосновения возникают силы сопротивления сдвигу, называемые силами внутреннего трения, или силами вязкости. Если рассмотреть то, как распределяются скорости различных слоёв жидкости по сечению потока, то можно легко заметить, что чем дальше от стенок потока, тем скорость движения частиц больше. У стенок потока скорость движения жидкости равна нулю. Иллюстрацией этого является рисунок, так называемой, струйной модели потока.

     

 

     На  рисунке применены следующие  обозначения: – скорость слоя жидкости, – расстояние между соседними слоями жидкости. Медленно движущийся слой жидкости «тормозит» соседний слой жидкости, движущийся быстрее, и наоборот, слой, движущийся с большей скоростью, увлекает (тянет) за собой слой, движущийся с меньшей скоростью. Силы внутреннего трения появляются вследствие наличия межмолекулярных связей между движущимися слоями.  

     

 

     Вязкость  жидкости определяется экспериментально с помощью приборов, которые называются вискозиметрами. Примером такого прибора  может служить вискозиметр Стокса. Его работа основана на следующем. В  прозрачную трубку с жидкостью помещается шарик, плотность которого выше плотности  жидкости. Шарик медленно опускается в вязкой жидкости с постоянной скоростью .  

     На  шарик будут действовать: 

• во-первых, сила тяжести:
• во-вторых, выталкивающая (архимедова) сила:
• в-третьих, сила Стокса, порождаемая вязким трением на поверхности шарика: .

 

В определенных выражениях примяты следующие выражения: 

•   – плотность материала шарика;
• – плотность жидкости;
• W – объём шарика;
• V- скорость опускания шарика;
• g – ускорение свободного падения;
• d – диаметр шарика;
• μ – динамический коэффициент вязкости.

 

     Так как скорость тела постоянная, то по второму закону Ньютона можно  записать: 
 

     Объём шарика: . 

     Подставляя  полученные выражения в уравнение  сил, действующих на шарик, получим: 
 
 

     Выразив из последней формулы μ, будем иметь выражение для определения динамического коэффициента вязкости:  
 
 

     Если  изменить время пропускания шарика, заранее измерить глубину, то не трудно определить вязкость любой жидкость. 

     22. Что такое абсолютное, манометрической  и вакуумметрическое  давление? Как они связаны между собой? 

     Абсолютным  называется давление, определенное с учётом атмосферного давления. Избыточное давление – это давление сверх атмосферного, определенное без учёта атмосферного.  

   . 

     Абсолютное  давление может быть отрицательным, т.к. жидкость не воспринимает растягивающих  напряжений: Избыточное давление может быть и больше и меньше нуля: Для удобства, отрицательное избыточное давление, взятое со знаком «+», называют вакуумметрическим давлением.  
 
 

     Очень часто избыточное давление называют манометрическим, т.к. оно изменяется с помощью манометров, или пьезометрическим т.к. оно измеряется с помощью пьезометров.  

     32. Что такое кавитация? 

     Если  при входе в рабочее колесо насоса абсолютное давление окажется меньшим или равным упругости  паров перекачиваемой жидкости при  данной температуре, то жидкость начинает вскипать, происходит разрыв потока и  подача прекращается.  

     При длительной работе насоса в таких  условиях разрушается рабочее колесо. Явления, происходящие в насосе при  вскипании жидкости, называются кавитацией. При этом из жидкости выделяются пары и растворенные газы в том месте, где давление равно или меньше давления насыщенных паров. Пузырьки пара и газов, увеличенные потоком  в область повышенного давления, резко конденсируются с уменьшением  объема в микроскопических зонах; это  явление, подобное взрывам мельчайших бомб, приводит к механическим повреждениям лопаток колеса и их разрушению. Происходит и химическое разрушение металла в зоне кавитации выделившимся кислородом воздуха (коррозия).  

     Кавитация может происходить не только в  рабочем колесе, но и в направляющем аппарате, и в спиральном корпусе. Эти явления сопровождаются потрескиванием, шумом и вибрацией насоса. При  кавитации резко падает к. п. Д. насоса, производительность и напор. Особенно сильно при кавитации разрушаются  чугун и углеродистая сталь, наиболее устойчивы бронза и нержавеющая  сталь. Поэтому в последнее время  для изготовления насосов применяют  высококачественные материалы и  защитные покрытия (наплавка твердых  сплавов, поверхностная закалка, металлизация в холодном состоянии), что повышает надежность работы насосов.  

     Во  избежание явления кавитации  насос следует располагать как  можно ниже.  

     Кавитационный запас уровня определяют по уравнению: 
 
 

     42. Как определяется  сила гидростатического  давления на криволинейную  поверхность?  

     Давление - напряжение, возникающее в жидкости под действием сжимающих сил.  

     В общем случае поверхностная сила , действующая на площадке под некоторым углом к ней, может быть разложена на нормальную и тангенциальную составляющие.

   

 

     Первая, направленная внутрь объема, называется силой давления, вторая - силой трения. Нормальная составляющая вызывает в  жидкости нормальные напряжения или гидромеханическое давление, которое в покоящейся жидкости называется гидростатическим. Если сила равномерно распределена по площадке , то  
 
 

или переходя к пределу: 
 
 

     В любом случае причиной возникновения  давления является внешняя сила, приложенная  к жидкости. Часто в гидроприводе такой силой является нагрузка , приложенная к исполнительному органу. Эта нагрузка воздействует на жидкость через какую-то жёсткую поверхность и, следовательно, распределена равномерно, например площадь поршня гидроцилиндра . В таком случае давление определяется по формуле.  

     52. В чем заключаются  особые состояния  воды?  

     Под особыми состояниями жидкости обычно понимают случаи двухфазного состояния. Это может быть движение газожидкостной смеси или транспорт жидкостью твердых частиц.  

     Аэрация потока – насыщение жидкости газами (воздухом) не поглощаемых жидкостью. Чаще всего это проникновение в жидкость пузырьков воздуха и их движение с большими скоростями, препятствующими их разделению.  

     Транспорт твердых частиц (наносов) – обычно это насыщение потока со дна канала или русла. (Например - размыв русла реки).  

     Образование в жидкости разрывов, заполненных парами жидкости (КАВИТАЦИЯ) – при снижении давления и повышении температуры жидкости повышается вероятность вскипания жидкости. Это явление может наблюдаться при движении тел в жидкости (например: лопасти гребного винта, подводное крыло) или при распространении в жидкости звуковой волны высокой интенсивности (обычно, это явление наблюдается при распространении ультразвуковой волны). Это явление в технике в абсолютном большинстве случаев нежелательно, т.к. захлопывание паровых пузырьков приводит к локальному повышению давления в жидкости и разрушению деталей и конструкций. Подробнее о механизме повышения давления можно узнать в разделе, посвященном гидроудару.  

     Образование в воде кристаллов льда – это явление возникает при снижении температуры воды или при повышении давления. При этом получается двухфазная система. Чаще всего это наблюдается при интенсивном перемешивании воды. В обычных условиях лед образуется на поверхности, т.к. вода, в отличие от других жидкостей, имеет наибольшую плотность при температуре около Благодаря этому, вода, находящаяся при температуре замерзания, всплывает на поверхность.  

     62. Какими свойствами  обладает эпюра  гидростатического  давления?

 

     Эпюра гидростатического давления характеризуется следующими двумя свойствами:

1. каждая ордината эпюры давления, измеренная перпендикулярно к щиту ОА, выражает заглубление соответствующей точки щита, а, следовательно, и гидростатическое давление в этой точке;
2. площадь эпюры давления выражает силу гидростатического давления (суммарное гидростатическое давление).

 
 
 

ЧАСТЬ 2: ГИДРОДИНАМИКА. 

     2. Каково взаимосвязь  между средней  скорости потока  и площадью его  поперечного сечения? 

     Живым сечением потока называется поверхность (поперечное сечение), нормальная ко всем линиям тока, его пересекающим, и лежащая внутри потока жидкости. Площадь живого сечения обозначается буквой Для элементарной струйки жидкости используют понятие живого сечения элементарной струйки (сечение струйки, перпендикулярное линиям тока), площадь которого обозначают через .  

     Средняя скорость потока жидкости в данном сечении это не существующая в действительности скорость потока, одинаковая для всех точек данного живого сечения, с которой должна была бы двигаться жидкость, что бы её расход был равен фактическому.  

     12. Каков геометрический  смысл уравнения  Бернулли?  

     Положение любой частицы жидкости. относительно некоторой произвольной линии нулевого уровня определяется вертикальной координатой для реальных гидравлических систем, это может быть уровень, ниже которого жидкость из данной гидросистемы вытечь не может. Например, уровень пола цеха для станка или уровень подвала дома для домашнего водопровода.  

• Как и в  гидростатике, величину называют нивелирной высотой;
• Второе слагаемое носит название пьезометрическая высота. Эта величина соответствует высоте, на которую поднимается жидкость в пьезометре, если его установить в рассматриваемом сечении, под действием давления ;
• Сумма первых двух членов уравнения – гидростатический напор;
• Третье слагаемое в уравнении Бернулли называется скоростной высотой или скоростным напором. Данную величину можно представить как высоту, на которую поднимется жидкость, начавшая двигаться вертикально со скорость и при отсутствии сопротивления движению;
• Сумму всех трёх членов (высот) называют гидродинамическим полным напором и, как уже было сказано, обозначают буквой .