- •1. Основные физические свойства жидкости
- •2.Гидростатическое давление и его свойства
- •3.Уравнения равновесия жидкости
- •4.Вывод основного уравнения гидростатики.
- •5. Способы определения давления.
- •6. Способы выражения величины давления.
- •7.Давление жидкости на плоскую стенку
- •8. Вывод формулы для координат центра давления на плоскую стенку.
- •9. Давление на цилиндрические и сферические поверхности.
- •10.Основные понятия гидродинамики
- •11. Расход потока жидкости. Средняя расходная скорость.
- •12.Уравнение неразрывности
- •13.Уравнение Бернулли для элементарной струйки идеальной жидкости
- •14. Режимы течения вязкой жидкости
2.Гидростатическое давление и его свойства
Напомним, что в разделе гидростатики исследуется жидкость, находящаяся в состоянии равновесия (или относительного покоя), скорости движения и угловые скорости сдвига равны нулю. В этом случае сопротивляемость жидкости сдвигающим и растягивающим усилиям отсутствует.
Введем понятие гидростатического давления.
Р
ассмотрим
произвольный объем жидкости, находящийся
в равновесии (рис. 2.1). Мысленно
рассечем его плоскостью ВС
на две части I
и II,первую
мысленно отбросим. Для сохранения
равновесия второй части суммарное
воздействие на нее отсеченной части
заменим силой Р
.Пусть площадь всей плоскости разреза равна со. Тогда среднее гидростатическое давление на площади ВС
Р ср=P/ω
Для
того, чтобы определить давление в точке
А,
выделим вокруг нее малую площадку ∆ω,
сила, приходящаяся на эту площадку -
∆Р.
Гидростатическим
давлением в точке А
называется предел
Из определения текучести среды следует, что в состоянии покоя в жидкости касательные напряжения равны нулю, и в каждой точке произвольно ориентированной в пространстве площадки действуют только нормальные напряжения. Отсюда вытекает первое свойство гидростатического давления: гидростатическое давление всегда совпадает с направлением внутренней нормали к рассматриваемой площадке.
Предположим обратное - что сила гидростатического давления направлена не по нормали к поверхности выделенного объема. Тогда ее можно разложить на нормальную и касательную составляющие. Но касательная составляющая вызвала бы скольжение жидкости вдоль поверхности. А мы рассматриваем случай покоящейся жидкости, т. е. неподвижной и находящейся в равновесии. Значит, на поверхности существуют только нормальные составляющие давления. Более того, они направлены внутрь рассматриваемого объема (иначе на поверхности возникли бы растягивающие напряжения, а их жидкости не воспринимают), следовательно, являются сжимающими.
Второе свойство гидростатического давления состоит в следующем: величина гидростатического давления в данной точке не зависит от направления той площадки, на которую оно действует.
Рис.
2.2
Направление площадки будем характеризовать направлением нормали к ней. Второе свойство давления означает, что если через одну точку внутри жидкости провести две по-разному ориентированные площадки
Ipec. 2.2), то гидростатические давления р1 и р2, действующие на этих площадках, по величине будут одинаковы, т. е. \р1| = \р2\.
Д
ля
доказательства второго свойства
давления выделим в неподвижной
жидкой среде элементарный объем в форме
тетраэдра (рис. 2.3) с ребрами, параллельными
координатным осям и соответственно
равными dx,
dy,
dz.
Доказательство:
1. Проведём произвольным образом плоскость. Эта плоскость при пересечении с координатными плоскостями образует тетраэдр (рис 2.3).
2.
Пусть давление на вершине тетраэдра
, (где px, py, pz – проекции давления на
соответствующие оси). Давление изменяется
вдоль осей по некоторому закону.
Тогда
давление в центре площадки левой грани
равно
,
где εx – бесконечно малая добавка, характеризует изменение давления при перемещении от вершины тетраэдра к центру площадки левой грани.
Давление
в центре площадки нижней грани равно
.
Давление
в центре площадки дальней грани равно
.
Давление
в центре грани n равно .
(εz, εy, εn – бесконечно малые добавки,
аналогично εx.)
3. Составим уравнение равновесия для проекции сил на ось ОХ.
где
- площадь левой грани тетраэдра (площ.
треугольника);
ωn – площадь nй грани тетраэдра;
X – проекция единичной массовой силы, действующей на единицу массы тетраэдра (если действует только сила тяжести, то это проекция ускорения свободного падения);
– объём
тетраэдра.
Т.о.
масса тетраэдра
,
и проекция массовых сил, действующих
на тетраэдр:
.
-
это проекция площади грани тетраэдра
n на плоскость YOZ. Из рассмотрения рис.
2.3 видно, что это левая грань тетраэдра,
площадь которой равна:
, т.е.
-
проекций на OX нет
Таким
образом:
Перейдем к пределу, стягивая тетраэдр в точку, тогда
а,
значит:
Аналогично
составив уравнения равновесия для
проекций сил на OY и OZ, получим:
,
Т.е.
.
При стягивании в точку силы давления равны на разных плоскостях, плоскость образовавшая грань n, была проведена произвольно (в положительном октанте лишь для удобства восприятия). Следовательно, величина силы давления не зависит от ориентации площадки, и из определения давления – и само гидростатическое давление не зависит от ориентации площадки.(Давление в покоящейся жидкости действует во все стороны одинаково)
