Гидростатика и гидродинамика

2. Основы гидростатики — Курс гидравлики

Гидростатика и гидродинамика

Гидравлика делится на два раздела: гидростатика и гидродинамика. Гидродинамика является более обширным разделом и будет рассмотрена в последующих лекциях. В этой лекции будет рассмотрена гидростатика.

Гидростатикой называется раздел гидравлики, в котором рассматриваются законы равновесия жидкости и их практическое применение.

2.1. Гидростатическое давление

В покоящейся жидкости всегда присутствует сила давления, которая называется гидростатическим давлением. Жидкость оказывает силовое воздействие на дно и стенки сосуда. Частицы жидкости, расположенные в верхних слоях водоема, испытывают меньшие силы сжатия, чем частицы жидкости, находящиеся у дна.

Рассмотрим резервуар с плоскими вертикальными стенками, наполненный жидкостью (рис.2.1, а). На дно резервуара действует сила P равная весу налитой жидкости G = γ V, т.е. P = G.

Если эту силу P разделить на площадь дна Sabcd, то мы получим среднее гидростатическое давление, действующее на дно резервуара.

Гидростатическое давление обладает свойствами.

Свойство 1. В любой точке жидкости гидростатическое давление перпендикулярно площадке касательной к выделенному объему и действует внутрь рассматриваемого объема жидкости.

Для доказательства этого утверждения вернемся к рис.2.1, а. Выделим на боковой стенке резервуара площадку Sбок (заштриховано).

Гидростатическое давление действует на эту площадку в виде распределенной силы, которую можно заменить одной равнодействующей, которую обозначим P.

Предположим, что равнодействующая гидростатического давления P, действующая на эту площадку, приложена в точке А и направлена к ней под углом φ (на рис. 2.1 обозначена штриховым отрезком со стрелкой).

Тогда сила реакции стенки R на жидкость будет иметь ту же самую величину, но противоположное направление (сплошной отрезок со стрелкой). Указанный вектор R можно разложить на два составляющих вектора: нормальный Rn (перпендикулярный к заштрихованной площадке) и касательный к стенке.

Рис. 2.1. Схема, иллюстрирующая свойства гидростатического давления а — первое свойство; б — второе свойство

Сила нормального давления Rn вызывает в жидкости напряжения сжатия. Этим напряжениям жидкость легко противостоит.

Сила Rτ действующая на жидкость вдоль стенки, должна была бы вызвать в жидкости касательные напряжения вдоль стенки и частицы должны были бы перемещаться вниз. Но так как жидкость в резервуаре находится в состоянии покоя, то составляющая  отсутствует.

Отсюда можно сделать вывод первого свойства гидростатического давления.

Свойство 2. Гидростатическое давление неизменно во всех направлениях.

В жидкости, заполняющей какой-то резервуар, выделим элементарный кубик с очень малыми сторонами Δx, Δy, Δz (рис.2.1, б). На каждую из боковых поверхностей будет давить сила гидростатического давления, равная произведению соответствующего давления PxPy Pz на элементарные площади.

Обозначим вектора давлений, действующие в положительном направлении (согласно указанным координатам) как P'xP'yP'z, а вектора давлений, действующие в обратном направлении соответственно P''xP''yP''z.

Поскольку кубик находится в равновесии, то можно записать равенства

P'yΔz=P''yΔz
P'xΔz = P''xΔz
P'xΔy + γΔx, Δy, Δz = P''xΔy

где γ — удельный вес жидкости;
Δx, Δy, Δz — объем кубика.

Сократив полученные равенства, найдем, что

P'x = P''xP'y = P''yP'z + γΔz = P''z

Членом третьего уравнения γΔz, как бесконечно малым по сравнению с P'z и P''z, можно пренебречь и тогда окончательно

P'x = P''xP'y = P''yP'z=P''z

Вследствие того, что кубик не деформируется (не вытягивается вдоль одной из осей), надо полагать, что давления по различным осям одинаковы, т.е.

P'x = P''x = P'y = P''y = P'z=P''z

Это доказывает второй свойство гидростатического давления.

Свойство 3. Гидростатическое давление в точке зависит от ее координат в пространстве.

Это положение не требует специального доказательства, так как ясно, что по мере увеличения погружения точки давление в ней будет возрастать, а по мере уменьшения погружения уменьшаться. Третье свойство гидростатического давления может быть записано в виде

2.2. Основное уравнение гидростатики

Рассмотрим распространенный случай равновесия жидкости, когда на нее действует только одна массовая сила — сила тяжести, и получим уравнение, позволяющее находить гидростатическое давление в любой точке рассматриваемого объема жидкости. Это уравнение называется основным уравнением гидростатики.

Пусть жидкость содержится в сосуде (рис.2.2) и на ее свободную поверхность действует давление P0 . Найдем гидростатическое давление P в произвольно взятой точке М, расположенной на глубине h.

Выделим около точки М элементарную горизонтальную площадку dS и построим на ней вертикальный цилиндрический объем жидкости высотой h. Рассмотрим условие равновесия указанного объема жидкости, выделенного из общей массы жидкости.

Давление жидкости на нижнее основание цилиндра теперь будет внешним и направлено по нормали внутрь объема, т.е. вверх.

Рис. 2.2. Схема для вывода основного уравнения гидростатики

Запишем сумму сил, действующих на рассматриваемый объем в проекции на вертикальную ось:

Последний член уравнения представляет собой вес жидкости, заключенный в рассматриваемом вертикальном цилиндре объемом hdS. Силы давления по боковой поверхности цилиндра в уравнение не входят, т.к. они перпендикулярны к этой поверхности и их проекции на вертикальную ось равны нулю. Сократив выражение на dS и перегруппировав члены, найдем

Полученное уравнение называют основным уравнением гидростатики. По нему можно посчитать давление в любой точке покоящейся жидкости. Это давление, как видно из уравнения, складывается из двух величин: давления P0 на внешней поверхности жидкости и давления, обусловленного весом вышележащих слоев жидкости.

Из основного уравнения гидростатики видно, что какую бы точку в объеме всего сосуда мы не взяли, на нее всегда будет действовать давление, приложенное к внешней поверхности P0. Другими словами давление, приложенное к внешней поверхности жидкости, передается всем точкам этой жидкости по всем направлениям одинаково. Это положение известно под названием закона Паскаля.

Поверхность, во всех точках которой давление одинаково, называется поверхностью уровня (подробно рассмотрим в п.2.6). В обычных условиях поверхности уровня представляют собой горизонтальные плоскости.

2.3. Давление жидкости на плоскую наклонную стенку

Пусть мы имеем резервуар с наклонной правой стенкой, заполненный жидкостью с удельным весом γ. Ширина стенки в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа (от читателя), равна b (рис.2.3). Стенка условно показана развернутой относительно оси АВ и заштрихована на рисунке. Построим график изменения избыточного гидростатического давления на стенку АВ.

Так как избыточное гидростатическое давление изменяется по линейному закон P=γgh, то для построения графика, называемого эпюрой давления, достаточно найти давление в двух точках, например А и B.

Рис. 2.3. Схема к определению равнодействующей гидростатического давления на плоскую поверхность

Избыточное гидростатическое давление в точке А будет равно

Соответственно давление в точке В:

где H — глубина жидкости в резервуаре.

Согласно первому свойству гидростатического давления, оно всегда направлено по нормали к ограждающей поверхности.

Следовательно, гидростатическое давление в точке В, величина которого равна γH, надо направлять перпендикулярно к стенке АВ.

Соединив точку А с концом отрезка γH, получим треугольную эпюру распределения давления АВС с прямым углом в точке В. Среднее значение давления будет равно

Если площадь наклонной стенки S=bL, то равнодействующая гидростатического давления равна

где hc = Н/2 — глубина погружения центра тяжести плоской поверхности под уровень жидкости.

Однако точка приложения равнодействующей гидростатического давления ц.д. не всегда будет совпадать с центром тяжести плоской поверхности. Эта точка находится на расстоянии l от центра тяжести и равна отношению момента инерции площадки относительно центральной оси к статическому моменту этой же площадки.

где JАx — момент инерции площади S относительно центральной оси, параллельной Аx.

В частном случае, когда стенка имеет форму прямоугольника размерами bL и одна из его сторон лежит на свободной поверхности с атмосферным давлением, центр давления ц.д. находится на расстоянии b/3 от нижней стороны.

2.4. Давление жидкости на цилиндрическую поверхность

Пусть жидкость заполняет резервуар, правая стенка которого представляет собой цилиндрическую криволинейную поверхность АВС (рис.2.4), простирающуюся в направлении читателя на ширину b.

Восстановим из точки А перпендикуляр АО к свободной поверхности жидкости. Объем жидкости в отсекеАОСВ находится в равновесии.

Это значит, что силы, действующие на поверхности выделенного объема V, и силы веса взаимно уравновешиваются.

Рис. 2.4.

Схема к определению равнодействующей гидростатического давления на цилиндрическую поверхность

Представим, что выделенный объем V представляет собой твердое тело того же удельного веса, что и жидкость (этот объем на рис.2.4 заштрихован). Левая поверхность этого объема (на чертеже вертикальная стенка АО) имеет площадь Sx = bH, являющуюся проекцией криволинейной поверхности АВС на плоскостьyOz.

Cила гидростатического давления на площадь Sx равна Fx = γ Sxhc.

С правой стороны на отсек будет действовать реакция R цилиндрической поверхности. Пусть точка приложения и направление этой реакции будут таковы, как показано на рис.2.4. Реакцию R разложим на две составляющие Rx и Rz.

Из действующих поверхностных сил осталось учесть только давление на свободной поверхности Р0. Если резервуар открыт, то естественно, что давление Р0 одинаково со всех сторон и поэтому взаимно уравновешивается.

На отсек АВСО будет действовать сила собственного веса G = γV, направленная вниз.

Спроецируем все силы на ось Ох:

Fx — Rx = 0 откуда Fx = Rx = γSxhc

Теперь спроецируем все силы на ось Оz:

Rx — G = 0 откуда Rx = G = γV

Составляющая силы гидростатического давления по оси Oy обращается в нуль, значит Ry = Fy = 0.

Таким образом, реакция цилиндрической поверхности в общем случае равна

а поскольку реакция цилиндрической поверхности равна равнодействующей гидростатического давленияR=F, то делаем вывод, что

2.5. Закон Архимеда и его приложение

Тело, погруженное (полностью или частично) в жидкость, испытывает со стороны жидкости суммарное давление, направленное снизу вверх и равное весу жидкости в объеме погруженной части тела.

Для однородного тела плавающего на поверхности справедливо соотношение

где: V — объем плавающего тела;
ρm — плотность тела.

Существующая теория плавающего тела довольно обширна, поэтому мы ограничимся рассмотрением лишь гидравлической сущности этой теории.

Способность плавающего тела, выведенного из состояния равновесия, вновь возвращаться в это состояние называется устойчивостью.

Вес жидкости, взятой в объеме погруженной части судна называютводоизмещением, а точку приложения равнодействующей давления (т.е. центр давления) — центром водоизмещения.

При нормальном положении судна центр тяжести С и центр водоизмещения d лежат на одной вертикальной прямой O'-O», представляющей ось симметрии судна и называемой осью плавания (рис.2.5).

Пусть под влиянием внешних сил судно наклонилось на некоторый угол α, часть судна KLM вышла из жидкости, а часть K'L'M', наоборот, погрузилось в нее. При этом получили новое положении центра водоизмещения d'.

Приложим к точке d' подъемную силу R и линию ее действия продолжим до пересечения с осью симметрии O'-O». Полученная точка m называется метацентром, а отрезок mC = h называетсяметацентрической высотой.

Будем считать h положительным, если точка m лежит выше точки C, и отрицательным — в противном случае.

Рис. 2.5. Поперечный профиль судна

Теперь рассмотрим условия равновесия судна:

1) если h > 0, то судно возвращается в первоначальное положение;
2) если h = 0, то это случай безразличного равновесия;
3) если h

Источник: https://www.sites.google.com/site/kursgidravliki/osnovy-gidrostatiki

Гидростатика и гидродинамика

Гидростатика и гидродинамика

Гидростатика — раздел гидромеханики, в котором изучаютсяравновесие жидкости и воздействиепокоящейся жидкости на погружённые внеё тела.

Одна из основных задачгидростатики — изучение распределениядавления в жидкости.

На законахгидростатики, в частности на Паскалязаконе, основано действие гидравлическогопресса, гидравлического аккумулятора,жидкостного манометра, сифона и многихдругих машин и приборов.

Гидродинамика -раздел гидромеханики, в котором изучаютсядвижение несжимаемых жидкостей ивзаимодействие их с твёрдыми телами.Методами гидродинамики можно исследоватьтакже движение газов, если скоростьэтого движения значительно меньшескорости звука в рассматриваемом газе.

Интересным эффектомв этой области является вязкоэлектрическийэффект.

Протекание полярнойнепроводящей жидкости между обкладкамиконденсатора сопровождается некоторымувеличением вязкости, мгновенноисчезающим при снятии поля. Это явлениев чистых жидкостях получило названиевязкоэлектрического эффекта.

Установлено, чтоэффект возникает только в поперечныхполях и отсутствует в продольных. Вязкость полярных жидкостей возрастаетс увеличением напряженности поля вначале пропорционально квадратунапряженности, а затем приближается кнекоторому постоянному предельномузначению (вязкости насыщения), зависящемуот проводимости жидкости. Увеличениепроводимости приводит к увеличениювязкости насыщения.

На эффект оказываетвлияние частота поля. Вначале с повышениемчастоты вязкоэлектрический эффектувеличивается до определенного предела,затем вырождается до нуля.

Увеличение вязкости под действием электрического поляпроисходит за счет того, что в жидкостимогут находиться или возникать под действием поля свободные ионы. Онистановятся центрами ориентации полярныхмолекул, т.е. источниками заряженныхгрупп, для которых в электрическом полевозможно движение типа электрофореза.Количество движения таким образомпереносится от слоя к слою поперекпотока.

Входы:плотностьжидкости, объем тела.

Выходы:сила.

Графическаяиллюстрация:

Рис. 2.13. Сила, действующая на тело в жидкости

Сущность.

На всякое тело, погруженное в жидкость (или газ),действует со стороны жидкости (или газа) подъемная сила, направленная вверх иприложенная к центру тяжести погруженноготела.

Величина этой силы равна весувытесненной жидкости.

В этой формулировке,хотя и не в очень явной форме, предполагаетсяналичие тяготения, так как существованиевыталкивающей силы обусловлено разностьюстатистических давлений в жидкости(или газе).

Увеличение плотностижидкости приводит к увеличениювыталкивающей силы, а, следовательно,и к уменьшению веса тела, погруженногов жидкость. Изменяя внешнее давление,можно изменять плотность жидкостей игазов. Наиболее четко это можно наблюдать(и использовать) в газах, где внешнимдавлением можно изменять плотностьсреды в весьма значительных пределах.

Если тело погруженов жидкость не полностью, то перемещениетела в глубь жидкости приводит кувеличению выталкивающей силы.

Математическоеописание:

Сила Архимеда:

,

где ρ— плотность жидкости (газа), —ускорение свободного падения,

V— объём погружённого тела (или частьобъёма тела, находящаяся ниже поверхности).

Выталкивающаясила (называемая также архимедовойсилой – рисунок , красная стрелка) равнапо модулю (и противоположна по направлению)силе тяжести, действовавшей на вытесненныйтелом объём жидкости (газа), и приложенак центру тяжести этого объёма:

PB− PA= ρgh

FB− FA= ρghS = ρgV,

где PA,PB— давления в точках A и B,

ρ— плотность жидкости,

h— разница уровней между точками A и B,

S— площадь горизонтального поперечногосечения тела, V — объём погружённойчасти тела.

Применение.

А.

с. № 307584: Способсооружения каналов оросительных системиз сборных элементов отличается тем,что, с целью упрощения транспортировкиизделий после монтажа начального участкаканала, его торцы закрывают временнымидиафрагмами, сотовый участок каналазатопляют водой и последующие элементы, также закрытые с торцов временнымидиафрагмами, сплавляют по этому участкуканала.

Если все тела равенвесу вытесненной жидкости, тот телобудет находиться в жидкости, как бы всостоянии невесомости, за исключениемтого, что деформации, вызванные наличиемполя тяготения и давлением жидкости,сохраняются.

А.

с 254720: Способизготовления литейных форм из жидкихсамотвердеющих смесей, включающийприменение полой модели, выполненнойиз эластичного материала, заполняемойрабочим телом с последующим его удалениемиз модели после окончания процессаформообразования, отличается тем,что, с целью получения отливок заданныхразмеров, полость модели заполняетсярабочим телом с удельным весом, равнымудельному весу формовочной смеси вжидком состоянии.

А с № 445760.1. Полыйклапан в виде свободного шара отличаетсятем, что, с целью уменьшения сопротивленияпотоку, он выполнен по весу, равным весувытесненной жидкости.

1. Клапан по п.1 отличается тем, что, с целью расширениядиапазона применения, его полостьзаполнена наполнителем.

Сила Архимедаможет не только компенсировать вестела, но и перемещать тела в вертикальномнаправлении, если происходит изменениеплотности последнего.

А.

с. 223967: Сварочныймеханизм, поддерживающий поворотныйстол с захватами и устройством дляповорота отличается тем, что с цельюупрощения конструкции устройство дляповорота стола выполнено в видепоплавкового механизма, шарнирносоединенного с поворотным столом.

А если жидкостьимеет различный удельный вес на высоте,то подъемная сила будет изменяться всоответствии с изменением ее удельноговеса.

А.

с.332939:Манипулятор,содержащий стол с устройством егоповорота, выполненным в виде металлическогокорпуса, наполненного жидкой средой,в которой размещен поплавок, отличаетсятем, что, с целью обеспечения возможностиизменения подъемной силы поплавка,жидкая среда состоит из жидкостей сразличными удельными весами.

Силу Архимедаможно изменить путем изменения силовоговоздействия поля на жидкость, восприимчивуюк этому полю. Коллоидный растворферромагнитного вещества очень хорошовзаимодействует с магнитным полем, поэтому в этом случае получается хорошоуправляемая система.

А.

с.№ 527280: Манипулятордля сварочных работ, содержащий поворотныйстол и узел поворота стола, выполненныйв виде поплавкового механизма, шарнирносоединенного через кронштейн со столоми помещенного в емкость с жидкостью,отличается тем, что, с целью увеличенияскорости перемещения стола, в жидкостьвведена ферромагнитная взвесь, а емкостьс жидкостью помещена в электромагнитнуюобмотку.

Измеряя силуАрхимеда в магнитных жидкостях, можноизмерять величину самого магнитногополя (А.с. № 373669).

      1. Механокалорический эффект

Входы:разностьдавлений.

Выходы:температура.

Графическаяиллюстрация:

Рис. 2.14. Принцип механокалорического эффекта

Сущность:

Механокалорическийэффектявлениеохлаждения сверхтекучего жидкого гелияпри температуре TTλ  называетсяНеI, а при T

Источник: https://studfile.net/preview/2671172/page:14/

Гидравлика

Характерной особенностью гидравлики как раздела физики является подход к изучению явлений связанных с течением жидких сред. С её помощью возможно устанавливание приблизительных зависимостей, ограничиваясь в большинстве исследований изучением одноразмерного движения, активно привлекая при этом лабораторные эксперименты.

Существует два основных раздела науки:

  • Теоретическая гидравлика — изучающая важнейшие положения движения и равновесия жидкостей;
  • Практическая гидравлика – активно применяющая положения теории для решения инженерно-практических проблем.

Последняя, в свою очередь, имеет подразделы, сконцентрированные на изучении установившейся и неустановившейся движущейся жидкости, такие как:

  • Гидравлика трубопроводов;
  • Закономерности движения по открытым руслам;
  • Вытекание через сливы и отверстия;
  • Теоретические положения гидравлической фильтрации.

Основное внимание современной науки приковано к важнейшим трём разделам: кинематической гидравлике, гидростатике и гидродинамике.

Основы гидростатики

Важным направлением гидромеханики, исследующим жидкости в равновесном состоянии и воздействие на погружённое тело покоящейся жидкости, является гидростатика.

Одной из главных проблем гидростатики есть исследование распределения в жидкости давления. Его выявление позволяет рассчитать, действующие со стороны жидкости в спокойном состоянии на погружённые тела силы – например стену плотины или подводную лодку и др.

Это, в частности, предоставляет возможность установить условия нахождения тела внутри жидкости или на её поверхности. Есть возможность определить условия устойчивости плавающих на поверхности тел особо применимое в кораблестроении.

Действие многих машин и приборов, таких как гидравлических манометров, аккумуляторов, прессов и др., основывается на основных законах. Первым из них является закон Паскаля, гласящий, что давление, оказываемое на газ или жидкость, передаётся одинаково во всех направлениях в любой их точке.

Вторым основным законом является закон Архимеда, говорящий о том, что на тело, погружаемое в газообразную или жидкую среду, действует подъёмная сила или сила выталкивания пропорциональна весу погружённого объёма.

F=ρgV,

где ρ – плотность газа или жидкости, g – ускорение свободного парения, V – объём погружаемого тела.

Он делает возможным определение величины силы подъёма действующей на тело во время погружения в газообразную или жидкую среду совместно с сосудом таким образом, что она находится в спокойном состоянии по отношении к нему.

Характерные законам гидростатики принципы позволяют определить форму поверхности жидкости, к примеру, в сосудах во время вращения. Исключая в данном случае силу давления, сумма всех сил воздействующих на частицы жидкой среды будет направлена по нормали, по отношению к поверхности определяя её положение.

Поверхность жидкости, находящейся во вращающемся равномерно сосуде, происходящем вокруг его вертикальной оси, приобретает форму параболоида. В акваториях мирового океана дело будет обстоять подобным образом. Поверхность воды не будет иметь форму идеального шара, а приобретет несколько «сплюснутый» с полюсов вид.

Подобным образом может быть объяснена «сплюснутая» форма поверхности самой Земли. Таким образом, гидростатические законы, помогающим установить форму поверхности жидкости вращающейся равномерно, применимы в космогонии – науке изучающей происхождение и эволюцию тел в космосе.

Основы гидродинамики

Ещё одним направлением физики, исследующим законы, присущие механическому движению жидкостей, их взаимосвязь и взаимное влияние с поверхностями в неподвижном и подвижном состоянии, является раздел гидравлики – гидродинамика.

Как и гидростатика – гидродинамика является прикладной наукой направленной на решение инженерных задач на практике. Она рассматривает варианты:

  • установившегося движения жидкостей (P=f(x,y,z); V=f(x,y,z));
  • неустановившееся движение жидкости (P=f(x,y,z,t); V=f(x,y,z,t)).

Одной из главных задач гидродинамики есть определение присущих жидкостному потоку гидродинамических характеристик. В качестве объектов изучения выступают её скорость, давление, сопротивление её движению и их взаимодействие.

Гидравлика рассматривает кинематику жидкости одновременно с динамикой, изучая разновидности и кинематические свойств жидкости во время движения без учёта сил воздействия направленных на выполнение движения. В свою очередь динамика жидкости сосредотачивает внимание на исследовании законов движения жидкости, зависящих от приложенных к ней сил.

Рассматриваемая в гидравлике жидкость представляется в виде непрерывной среды, полностью заполняющей определённое пространство за исключением пустот. Причинами, побуждающими жидкость двигаться, выступают приложенные извне силы: тяжести, наружного давления и т.д.

Как правило, в условиях требующих решения гидродинамических задач они уже заданы.

Искомыми остаются скорость, с которой движется жидкость, гидродинамический показатель давления внутри в пространстве в каждой определённой его точке.

Давление в каждой точке, при этом, рассчитывается при помощи функции зависящей не только от координат, в отличие от гидростатического давления, но и от времени, что предусматривает его изменение в течение временного периода.

Изучение движущейся жидкости осуществляется двумя методами:

  • Методом Лагранжа – исследующим движение каждой отдельно взятой частицы жидкой среды и её траектории. Обладает чрезмерной трудоёмкостью, не способствующей к его распространённому применению.
  • Методом Эйлера – базирующимся на исследовании движения жидкости в целом в отдельно взятых точках пространства в определённый момент времени. Метод даёт возможность рассчитать в любой момент времени, в любой точке пространства показатели скорости перемещения жидкости, построив в результате поле скоростей. Это способствует его достаточно широкому применению при изучении движущихся жидкостей. Недостатком метода считается игнорирование траекторий отдельных частиц при анализе поля скоростей.

Источник: https://sciterm.ru/spravochnik/gidrostatika-i-gidrodinamika/

Гидравлика

Рисунок 1. Разделы гидравлики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Замечание 1

Гидравлика в физике характеризуется особенным подходом в плане изучения явлений течения жидкостей. Так, она помогает устанавливать приближенные зависимости, ограничиваясь при этом (в большинстве случаев) исследованием одноразмерного движения. При этом она активно задействует различные эксперименты в лабораторных условиях.

Сама наука разделена на две основные части:

  • теоретическую (занимается изучением наиболее важных положений равновесия и движением разных жидкостей);
  • практическую (предусматривает активное применение теоретических положений в плане решений инженерно-практических вопросов).

Гидравлическая практика, в свою очередь, включила в себя следующие подразделы, каждый из которых занимается исследованием движения жидкостей в неустановившемся и установившемся состояниях:

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

  • трубопроводная гидравлика;
  • закономерности открытых русел;
  • течение различных жидкостей из отверстий и через сливы;
  • теория гидравлической фильтрации.

В современной науке, таким образом, основной акцент делается на три важных раздела: гидродинамику, гидростатику и кинематическую гидравлику.

Основы гидростатики

Гидростатика является важным разделом гидромеханики, который занимается изучением равновесия жидкостей и воздействия покоящейся жидкости на погруженное в нее тело.

В качестве одной из главных задач гидростатики выступает задача исследования распределения давления в жидкости. При известном распределении давления, становятся возможными расчеты силы, воздействующей со стороны покоящейся жидкости на тела, которые в нее погружены (к примеру, таким телом может быть подводная лодка, стена плотины и пр.)

В частности, становится доступным выведение условий плавания тела на поверхности жидкости или внутри нее. Также можно установить, какие условия потребуются плавающим телам для устойчивости (особенно актуально в кораблестроении).

На определенных законах (в частности, законе Паскаля) основывается действие гидравлических пресса, аккумулятора, жидкостного манометра, а также многих других приборов и машин.

Одним из главных законов в гидростатике считается закон Архимеда, позволяющий определять воздействующую на тело величину подъемной силы, что происходит в момент его погружения в газ либо жидкость вместе с сосудом таким образом, что в отношении него она будет покоиться.

Принципы законов гидростатики позволяют определять форму поверхности жидкости, например, во вращающихся сосудах. По причине того, что поверхность жидкости всегда будет установлена таким образом, что сумма всех действующих на частицы жидкости сил (сила давления в данном случае становится исключением) оказывается нормальной по отношению к поверхности.

В цилиндрическом, равномерно вращающемся вокруг вертикальной оси, сосуде поверхность жидкости будет принимать форму параболоида вращения. Подобным образом будет обстоять дело и в акваториях океанов. Так, поверхность воды в них не будет в точности шаровой, а несколько «сплюснутой» к полюсам.

Рисунок 2. Законыгидростатики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Такое же объяснение актуально и для «сплюснутой» к полюсам формы самого земного шара. Законы гидростатики, таким образом, способствуют определению формы поверхности вращающейся равномерно жидкости, что очень актуально в космогонии (науке исследования происхождения и развития космических тел).

Основы гидродинамики

Определение 1

Гидродинамика в физике является еще одним разделом гидравлики, занимающимся изучением законов механического движения жидкости, а также ее взаимодействия с подвижными и неподвижными типами поверхностей.

Рисунок 3. Гидродинамика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В качестве одной из наиболее важных задач гидродинамики выступает выявление гидродинамических характеристик потока. Объектами исследования здесь выступают гидродинамическое давление, скорость движения жидкостей, сопротивление движению жидкостей и изучение их взаимозависимости.

Кинематика жидкости зачастую рассматривается в гидравлике совместно с динамикой.

При этом она будет отличаться от нее изучением разновидностей и кинематических характеристик движения жидкостей, не учитывая при этом силы воздействия на осуществление движения.

В то же время, динамика жидкости акцентирует внимание на изучении законов ее движения, в зависимости от сил, которые были приложены к ней.

Жидкость в гидравлике будет рассматриваться в качестве непрерывной среды, сплошь заполняющей некоторое пространство, исключая образование пустот. Провокаторами ее движения выступают такие внешние силы как: внешнее давление, сила тяжести и др.

Зачастую, эти силы уже заданы в условиях задач гидродинамики, требующих решения. Неизвестными факторами остаются: внутреннее гидродинамическое давление и скорость течения жидкости в каждой определенной точке некоего пространства.

При этом гидродинамическое давление в каждой точке считается функцией не только ее координат (как это было в отношении гидростатического давления), но и функция времени (что подразумевает ее способность к изменению со временем).

Существует два следующих метода изучения движения жидкости:

  1. Метод Лагранжа (заключается в изучении движения каждой из частиц жидкости и исследовании траектории их движения). Однако значительная трудоемкость данного метода не обеспечила ему широкое распространение.
  2. Метод Эйлера (основывается на рассмотрении полной картины движения жидкости в разных точках пространства в конкретный момент времени). Метод позволяет вычислять скорость движения жидкости в любой точке пространства совершенно в любой временной промежуток. Иными словами, он будет характеризоваться построением поля скоростей, что обеспечивает ему достаточно широкое применение при исследовании движения жидкости. В качестве недостатка в этом методе физики называют отсутствие изучения траектории отдельных частиц жидкости при рассмотрении поля скоростей.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/mehanika_sploshnyh_sred/gidrostatika_i_gidrodinamika/

Booksm
Добавить комментарий