Шпаргалка по "Гидравлике"

1. Предмет и методы гидравлики

Гидра́влика - наука о законах движения и равновесии жидкостей и способах приложения этих законов к решению задач инженерной практики.

В отличие от гидромеханики, гидравлика характеризуется особым подходом к изучению явлений течения жидкостей; она устанавливает приближённые зависимости, ограничиваясь во многих случаях рассмотрением одноразмерного движения, широко используя при этом эксперимент, как в лабораторных, так и в натурных условиях.

Предмет изучения                          Гидравлика, как прикладная наука, применяется для решения различных инженерных задач в области: водоснабжения и водоотведения (канализации); транспортировка веществ по трубопроводу: газ, нефть и т. п.; строительства различных гидротехнических сооружений, водозаборных сооружений; конструирования различных устройств, машин, механизмов: насосов; компрессоров; демпферов; амортизаторов; гидравлических прессов; Гидравлических приводов и пр.; медицины.

Методы                         При решении практических вопросов гидравлика оперирует всеми известными методами исследований: методом анализа бесконечно малых величин, методом средних величин, методом анализа размерностей, методом аналогий, экспериментальным методом.

Метод анализа бесконечно малых величин - наиболее удобный из всех методов для количественного описания процессов равновесия и движения жидкостей и газов. Этот метод наиболее эффективен в тех случаях, когда приходится рассматривать движение объектов на атомно-молекулярном уровне, т.е. в тех случаях, когда для вывода уравнений движения приходится рассматривать жидкость (или газ) с молекулярно-кинетической теории строения вещества. Основной недостаток метода - довольно высокий уровень абстракции, что требует от читателя обширных знаний в области теоретической физики и умение пользоваться различными методами математического анализа, включая векторный анализ.                                                     Метод средних величин - является более доступным методом, поскольку его основные положения базируется на простых (близких к обыденным) представлениях о строении вещества. При этом выводы основных уравнений в большинстве случаев не требуют знаний молекулярно-кинетической теории, а результаты, полученные при исследованиях, этим методом не противоречат «здравому смыслу» и кажутся обоснованными. Недостаток этого метода исследований связан с необходимостью иметь некоторые априорные представления о предмете исследований.

Метод анализа размерностей может рассматриваться в качестве одного из дополнительных методов исследований и предполагает всестороннее знания изучаемых физических процессов.

Методом аналогий - используется в тех случаях, кода имеются в наличии детально изученные процессы, относящиеся к тому же типу взаимодействия вещества, что и изучаемый процесс.        Экспериментальный метод - является основным методом изучения, если другие методы по каким- либо причинам не могут быть применены. Этот метод также часто используется как критерий для подтверждения правильности результатов полученных другими методами

2. Определение жидкости. Жидкость, как материальный континуум.

Жидкостью называется физическое тело, обладающее весьма большой подвижностью частиц. В то время как для изменения формы твердого тела к нему нужно приложить конечные, иногда очень большие силы, изменение формы жидкости может происходить под действием даже самых малых сил. Жидкость сильно деформируется, не дробясь на частицы. она обладает текучестью. Деформация происходит даже под воздействием собственного веса, поэтому жидкость изменяет форму в сосуде, в котором она находится.

Жидкость, как и всякое физическое тело, имеет молекулярное строение, т.е. состоит из отдельных частиц-молекул, объем пространства между которыми во много раз превосходит объем самих молекул

Однако из-за чрезвычайной малости  не только самих молекул, но и расстояний между ними (по сравнению с объемами, рассматриваемыми при изучении равновесия и движения жидкости) в механике жидкости ее молекулярное строение не рассматривается; предполагается, что  жидкость заполняет все пространство, без образования каких либо пустот. Тем самым, вместо самой жидкости изучается ее модель, обладающая свойством  непрерывности (эта модель реализует  гипотезу, согласно которой жидкость представляет собой материальный континуум, т.е. заполняет пространство сплошным образом).

Это гипотеза упрощает исследование, так как позволяет рассматривать  все механические характеристики жидкой среды (скорость, плотность, давление и  т.д.) как функция координат точки  в пространстве и времени, причем в большинстве случаев эти функции предполагаются непрерывными и дифференцируемыми.

Эту модель можно использовать до тех пор, пока в достаточно малых  объёмах жидкости содержится большое  количество молекул..

Жидкости с точки зрения механических свойств разделяются на два класса: малосжимаемые (капельные) и сжимаемые (газообразные).

Благодаря наличию в капельной  жидкости некоторых сил молекулярного  взаимодействия, величина их объема мало изменяется под действием внешних  сил, т.е. они мало сжимаемы. При атмосферном  давлении сжимаемость воды в 14000 раз  меньше сжимаемости воздуха.

Несмотря на различия молекулярных структур газов и капельных жидкостей, с точки зрения законов их движения между ними во многих случаях нет различия. Этот предел зависит от отношения скорости движения газа и скорости распространения звука. Поскольку скорость распространения звука в воздухе ~ 350 м/сек,  то при скоростях 70 – 75  м/сек  законы движения капельных и газообразных жидкостей можно считать общими.

 

 

 

 

 

 

3. Свойства жидкости: вязкость, понятие об идеальной жидкости

Жидкость – это физическое тело, обладающее двумя свойствами: 1)Обладает текучестью, благодаря которой она не имеет формы и принимает форму того сосуда, в котором она находится.2) Она мало изменяет форму и объем при изменении давления и температуры, в чем она сходна с твердым телом

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.

Если между соседними слоями жидкости выделить некоторую площадку S, то согласно гипотезе Ньютона где T – силы вязкого трения; S – площадь трения; градиент скорости, μ – коэффициент вязкого трения. Величина μ в этом выражении является динамическим коэффициентом вязкости, равным  
или где τ – касательное напряжение в жидкости (зависит от рода жидкости).

Физический смысл коэффициента вязкого трения - число, равное силе трения, развивающейся на единичной  поверхности при единичном градиенте  скорости.

Единицы измерения: [Н·с/м²], [кГс·с/м²], [Пз]{Пуазейль}, 1Пз=0,1Н·с/м².

На практике чаще используется кинематический коэффициент вязкости, названный так потому, что в его размерности отсутствует обозначение силы. Этот коэффициент представляет собой отношение динамического коэффициента вязкости жидкости к её плотности . Единицы измерения: [м²/c], [cм²/c], [Ст] {стокс}, [сСт] {сантистокс}, 1Ст=100сСт  {1Ст=1 cм²/c}.

Идеальная жидкость – жидкость, в которой силы трения пренебрежимо малы. Таких жидкостей нет в природе. Реальные жидкости только в той или иной мере приблизительно соответствуют этой модели. Причина появления такого понятия – сложность расчета движения реальной жидкости. Там, где это возможно без ущерба для точности расчетов, применение допущения о равенстве нулю вязкости существенно упрощает решение. Замечание. Совсем не обязательно вязкость жидкости должна быть очень мала для того, чтобы можно было считать ее идеальной. При малых скоростях даже у маловязких жидкостей влияние сил трения достаточно велико. И наоборот, при больших скоростях, когда силы трения малы по сравнению с силами инерции, расчет может быть выполнен без учета трения. Один из примеров – решение задачи встречи кумулятивного снаряда с бронеплитой аналогично решению задачи определения движения воды в стакане при его наполнении из водопроводного крана. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Свойства жидкости: плотность

Для характеристики распределения  массы в пространстве, заполненном  жидкостью или газом, обычно пользуются величиной, называемой плотностью распределения  массой или, чаще, плотностью.

Плотность жидкости  , так же как любых других тел, представляет собой массу единицы объёма, и для бесконечно малого объёма  жидкости dV  массой dM может быть определена по формуле:

Для однородных жидкостей можно  считать, что  где  M – масса жидкости,

V – объём жидкости.

Плотность жидкости зависит от температуры  и давления. Все жидкости, кроме  воды, характеризуются уменьшением  плотности с ростом температуры. Плотность воды имеет максимум при t = 4 ^оC и уменьшается при любых других температурах. В этом проявляется одно из аномальных свойств воды. Температура, при которой плотность воды максимальная, с увеличением давления уменьшается. Так, при давлении 14 МПа вода имеет максимальную плотность при 0,6 ^оC. Плотность пресной воды равна 1000 кг/м³, солёной морской воды  - 1020 ч 1030, нефти и нефтепродуктов – 650 ч 900 кг/м³, ртути – 13596 кг/м³.

При изменении давления плотность  жидкостей изменяется незначительно. В большинстве случаев плотность  жидкости в расчётах можно принимать  постоянной. Однако встречаются случаи, когда изменением плотности пренебрегать нельзя, т.к. это может привести к значительным ошибка

5. Классификация сил,  действующих в жидкости: определение  поверхностных сил

При изучении механики твердого тела обычно рассматривают две категории  сил — сосредоточенные и распределенные. В жидкости, как правило, необходимо исследовать действие только распределенных сил, так как приложение к ней  сосредоточенных сил обусловливает  появление разрывов в жидкости.

Поверхностные силы – силы, величины которых пропорциональны  площади. К ним относят два  вида сил. Силы поверхностного натяжения и силы вязкого трения.