5.1. Тема 2. Основы гидравлики и гидрологии

2.1. Основы гидравлики

2.2. Гидрология суши

2.3. Основные понятия по гидрогеологии

2.1. Основы гидравлики

Гидравлика – это наука, изучающая законы равновесия и движения жидкостей и дающая на основе теории и опыта способы применения этих законов к разрешению различных задач инженерной практики. Выделяют две основные части гидравлики: гидростатику, в которой изучаются законы равновесия жидкости, и гидродинамику, в которой изучаются законы движения жидкости. Название «гидравлика» происходит от сочетания двух греческих слов δδωр (хюдор) – вода и αδλωτ (аулюс) – труба.

Жидкость – непрерывная среда, обладающая свойством текучести, т.е. способная неограниченно изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил, но в отличие от газа мало изменяющая свою плотность при изменении давления.

Основные свойства жидкости. Жидкость, как физическое тело характеризуется двумя отличительными свойствами: 1) она практически несжимаема и нерастяжима и 2) обладает текучестью. В состоянии покоя она не может иметь касательных напряжений и поэтому принимает форму сосуда, в котором находится.

Наиболее часто применяемыми в гидравлике характеристиками жидких тел являются плотность жидкости (масса ее единицы объема), которую принято обозначать буквой ρ (кг/м³) и вязкость жидкости (свойство оказывать сопротивление перемещению ее частиц), которая характеризуется обычно кинематическим коэффициентом вязкости υ (см²/с). Плотность и вязкость жидкости зависят от ее вида (вода, керосин и др.) и температуры.

2.1.1. Основное уравнение гидростатики

На жидкость, находящуюся в состоянии равновесия, действуют две категории сил: поверхностные и массовые (объемные).

На внешней поверхности жидкости гидростатическое давление всегда направлено по внутренней нормали, а в любой точке внутри жидкости его величина не зависит от ориентировки площадки, на которую оно действует. Поверхность, во всех точках которой гидростатическое давление одинаково, называется поверхностью равного давления. К последним относится и свободная поверхность, т.е. поверхность раздела между жидкостью и газообразной средой.

Для любой точки жидкости, находящейся в состоянии равновесия, (рис. 2.1) справедливо равенство:

, (2.1)

где p_а – давление в данной точке А;

p_o – давление на свободной поверхности жидкости (чаще всего барометрическое или атмосферное давление Р_б);

– высота столбов жидкости с плоскостью ρ, соответствующая давлениям в рассматриваемой точке А и на свободной поверхности;

z_а и z₀ – координаты точки А и свободной поверхности жидкости относительно горизонтальной плоскости сравнения;

p – плотность жидкости (кг/м³);

g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с.²

0----------------------------------------------0

Рис. 2.1. Схема к определению уравнения гидростатики

Из формулы (2.1) следует

р_а = р_о+ ρg (z_o – z_a)

или

р_а = р_о + ρgh, (2.2)

где h– глубина погружения рассматриваемой точки

Выражение (2.2) называется основным уравнением гидростатики. Величина ρqh представляет силу тяжести столбика жидкости высотой h с площадью основания, равной единице.

Гидростатическое давление измеряется в системе СИ в П_а. Кроме того, оно может измеряться в кг/см² и в атмосферах (1 ат = 1кг/см²).

Давление в жидкости может быть равно атмосферному или отличаться от него. Если абсолютное давление Р_а больше атмосферного Р_о, то разность между ними называется избыточным давлением

р_изб.= р_а – р_о= ρgh (2.3)

Если же абсолютное давление меньше атмосферного, то недостаток давления до атмосферного называется вакуумметрическим

р_вак=р_о – р_а = ρgh_вак (2.4)

Вакуумметрическое давление можно понимать как отрицательное избыточное давление.

Манометрическое и вакуумметрическое давления могут быть условно выражены высотой столба жидкости. Допустим, в сосуде имеется жидкость с плотностью ρ. Давление на свободной поверхности больше барометрического (р_о > р_б). Требуется определить давление на уровне сечения 1 – 1 (рис. 2.2 а). Если подсоединить в этом сечении пьезометр 2, то под действием давления жидкость в трубке поднимется на некоторую высоту h.

Согласно уравнению (2.3) р_а – р_б равно избыточному давлению р, тогда h = р /рg. Численное его значение и будет равно манометрическому (h_изб.) давлению в точке А.

Для определения вакуумметрического давления применяют вакуумметр (рис. 2.2 б).

Рис. 2.2. Схемы к определению манометрического и