2.2.1. Гидростатика

В гидростатике изучается равновесие жидкостей, находящихся в общем случае в состоянии относительного покоя, при котором в движущейся жидкости ее частицы не перемещаются друг относительно друга. При этом силы внутреннего трения отсутствуют, что позволяет считать жидкость идеальной.

В состоянии относительного покоя форма объема жидкости не изменяется, и она, подобно твердому телу, перемещается как единое целое. Так, жидкость находится в относительном покое в перемещающемся сосуде (например, в цистерне). В подобных случаях покой рассматривают относительно стенок движущегося сосуда. Жидкость в неподвижном сосуде находится в абсолютном покое (относительно поверхности Земли), который в таком понимании является частным случаем относительного покоя.

Независимо от вида покоя на жидкость действуют силы тяжести и давления. В случае относительного покоя следует также учитывать силу инерции переносного (вместе с сосудом) движения жидкости.

Соотношение между силами, действующими на жидкость в состоянии покоя, определяющее условия равновесия жидкости, выражается дифференциальными уравнениями равновесия Эйлера.

Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера

В объеме жидкости, находящейся в покое, выделим элементарный параллелепипед объемом V с ребрами dx, dy, dz, расположенными параллельно осям координат X,Y , Z (см. рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - К выводу дифференциальных уравнений равновесия Эйлера

Сила тяжести, действующая на параллелепипед, выражается произведением его массы dm на ускорение свободного падения g, т.е. равна gdm. Сила гидростатического давления, действующая на любую из граней параллелепипеда, равна произведению гидростатического давления Р на площадь этой грани. Будем считать, что давление Р является функцией всех трех координат:

Определение вида этой функции, т.е. закона распределения гидростатического давления по объему жидкости, и является нашей задачей.

Согласно основному принципу статики сумма проекций на оси координат всех сил, действующих на элементарный объем, находящийся в равновесии, равна нулю. В противном случае происходило бы перемещение

жидкости.

Рассмотрим сумму проекций сил на ось Z. Сила тяжести направлена вниз, параллельно оси Z. Поэтому при выбранном положительном направлении оси Z сила тяжести будет проектироваться на эту ось со знаком "минус":

Сила гидростатического давления действует на нижнюю грань параллелепипеда по нормали к ней, и ее проекция на ось Z равна: pdxdy.

Если изменение гидростатического давления в данной точке в направлении оси Z равно , то по всей длине ребра dz оно составит . Тогда гидростатическое давление на противоположную (верхнюю) грань равно: , а проекция силы гидростатического давления на ось Z определяется как