Физические свойства жидкостей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Физические свойства жидкостей

Жидкостью называется физическое тело, обладающее легкой подвижностью частиц, то есть текучестью. Жидкости с точки зрения физико-механических свойств разделяются на два класса - капельные жидкости (или малосжимаемые) и газы (или сжимаемые жидкости). В гидравлике изучаются капельные жидкости. Многие законы гидравлики, полученные для капельной жидкости, справедливы и для газов, когда допустимо считать газ малосжимаемым. Жидкость рассматривается в гидравлике обычно как сплошная (непрерывная), однородная и изотропная среда, обладающая одинаковыми свойствами во всех точках и по всем направлениям.

Основными физическими свойствами жидкости, базируясь на которых в гидравлике устанавливаются общие законы ее равновесия и движения, являются: 1) текучесть, 2) весомость (плотность), 3) изменяемость объема и 4) вязкость.

Текучесть - неспособность жидкости сопротивляться сколько угодно малым касательным напряжениям при статическом приложении нагрузки.

Весомость характеризуется удельным весом (Н/м³), т. е. весом G единицы объема жидкости:

,

а также плотностью (кг/м³) - отношением массы жидкости M к ее объему W:

.

Плотность и удельный вес связаны между собой соотношением

,

где g = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения.

Для пресной воды при температуре T = 277⁰ К = 1000 кг/м³, = 9810 Н/м³.

Изменяемость объема при изменении давления и при изменении температуры.

Изменяемость объема жидкости при изменении давления характеризуется коэффициентом объемного сжатия _w (1/МПа) или модулем упругости при всестороннем сжатии E₀ (МПа):

,

где W - приращение объема жидкости при изменении давления на p.

Для воды E₀ = 2,110³ Мпа.

Изменяемость объема жидкости при изменении температуры характеризуется коэффициентом температурного расширения _t, равным изменению относительного объема жидкости при изменении ее температуры T на 1К:

.

Вязкость жидкости - это ее способность сопротивляться сдвигу.

Она характеризуется динамическим (Нс/м²) и кинематическим (м²/с) коэффициентами вязкости, которые связаны соотношением

.

С увеличением температуры жидкости ее вязкость уменьшается. Для воды при температуре T = 293 К 10^-6 м²/c.

Гидростатическим давлением p в точке (или сокращенно гидростатическим давлением) называется предел отношения силы давления жидкости P к площади поверхности F, на которую оно действует

.

Гидростатическое давление в точке покоящейся жидкости обладает двумя основными свойствами:

- гидростатическое давление всегда нормально к поверхности (площадке), на которую оно действует, и направлено по нормали к ней внутрь объема жидкости;

- гидростатическое давление в данной точке жидкости одинаково по всем направлениям.

Уравнение, выражающее гидростатическое давление в любой точке жидкости, когда на нее действует только сила тяжести, называется основным уравнением гидростатики:

.

Здесь: p₀ - внешнее давление на свободной поверхности жидкости;

h - глубина, на которой находится рассматриваемая точка.

Из основного уравнения гидростатики следует, что внешнее давление p₀ одинаково действует во всех точках внутри жидкости (закон Паскаля).

На законе Паскаля о передаче внешнего давления в жидкости основано действие гидростатических машин (гидравлических домкратов, прессов и др.). На рис. изображена принципиальная схема гидростатической машины (например, домкрата). С помощью малого поршня площадью F₁ , давящего с силой P₁, в жидкости создается гидростатическое давление

.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Это давление передается с одинаковой силой всем точкам жидкости, в том числе и расположенным под большим поршнем площадью F₂.

Сила, действующая со стороны жидкости на большой поршень, будет равна (без учета потерь на трение поршней о стенки цилиндров):

жидкость физический гидростатика давление

Из полученного выражения видно, что, прилагая к жидкости сравнительно небольшую силу P₁, можно получить на большом поршне весьма значительное усилие P₂ .

Избыточным (или манометрическим) давлением называется разность между полным (абсолютным) и атмосферным (барометрическим) давлением:

.

Если полное давление p меньше атмосферного p_ат, избыточное давление будет отрицательным. Отрицательное избыточное давление называется вакуумом (вакуумметрическим давлением, разрежением):

.

Когда давление на свободной поверхности жидкости равно атмосферному p_o = p_ат (открытый резервуар, водоем), избыточное давление будет равно:

.

Сила давления жидкости P на площадь конечных размеров F называется суммарным давлением жидкости.

Величина суммарного давления жидкости на плоскую поверхность выражается равенством:

,

где: h_o - глубина погружения центра тяжести поверхности;

F - площадь поверхности.

Если давление на свободной поверхности жидкости равно атмосферному, избыточное суммарное давление жидкости на плоскую поверхность будет равно

.

Точка приложения силы суммарного давления жидкости к поверхности, на которую она действует, называется центром давления (ЦД).

Для прямоугольного щита с размерами ab, с нижним краем, находящимся на глубине H, и наклоненного под углом к горизонту глубина погружения центра давления

.

Когда высота щита h равна глубине H

.

При определении суммарного давления на криволинейную поверхность сначала находят отдельно величины и линии действия, составляющих силы суммарного давления по координатным осям (горизонтальной и вертикальной составляющих).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Затем, складывая векторы этих сил, определяют искомую силу и точку ее приложения к поверхности (центр давления).

Горизонтальная составляющая суммарного давления жидкости на криволинейную цилиндрическую поверхность равна суммарному давлению жидкости на вертикальную проекцию этой поверхности:

Здесь: F_в - площадь, а h₀ - глубина погружения центра тяжести вертикальной проекции рассматриваемой криволинейной поверхности.

Вертикальная составляющая суммарного давления равна:

.

Объем W, ограниченный данной криволинейной поверхностью; вертикальными плоскостями, проходящими через крайние образующие данной цилиндрической поверхности; двумя вертикальными плоскостями, проходящими через ее крайние направляющие; горизонтальной плоскостью, совпадающей со свободной поверхностью жидкости, называется телом давления.

Т. о., вертикальная составляющая суммарного давления жидкости на цилиндрическую криволинейную поверхность равна весу жидкости в объеме тела давления. Она всегда направлена от жидкости поверхности.

Суммарное давление жидкости на криволинейную поверхность равно геометрической сумме векторов ее составляющих. Его величина

.

Точка приложения силы суммарного давления (центр давления) расположена на пересечении линии действия силы с криволинейной поверхностью.

Угол наклона силы P к горизонту можно определить из соотношения

Рассмотрим несколько примеров задач гидростатики.

Пример 1

Определить величину суммарного гидростатического давления и положение центра давления для плоской крышки AB. Построить эпюру давления.

Исходные данные

Размещено на http://www.allbest.ru/

Решение

Высота вертикальной проекции крышки

м;

Глубина погружения центра тяжести крышки

м;

Площадь крышки

м

Величина суммарного гидростатического давления на крышку

м;

Глубина погружения центра давления

м.

Построение эпюры гидростатического давления на крышку и нахождение центра давления графическим способом показано на рисунке.

Пример 2

Сброс воды из водохранилища производится через туннель прямоугольного сечения размером bh. Вход в туннель закрывается сегментным затвором, имеющим водоудерживающую обшивку в виде криволинейной цилиндрической поверхности AB с горизонтальными образующими. Радиус цилиндрической поверхности R. Ширина затвора - b. Глубина воды в водохранилище - H.

Определить аналитически величину суммарного гидростатического давления воды на затвор и найти графически положение центра давления.

Исходные данные:

b = 6 м.

H = 8 м.

R = 3 м.

= 50.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Решение

Высота туннеля

м.

Величина горизонтальной составляющей суммарного давления

Н.

Объем тела давления

м³.

Величина вертикальной составляющей суммарного давления

Н.

Величина суммарного гидростатического давления на затвор

Н.

Построение центра давления на затвор показано на рисунке.

Основная литература

1. Штеренлихт А.Б. Гидравлика. Учебник. - М.: Колосс, 2009.

2. Кузьминский Р.А. Гидрогазодинамика. Учебное пособие. - М.: РГОТУПС, 2008.

Размещено на Allbest.ru