Landsberg-1985-T1

инструменты, т. ·е. инструменты, приводимые в действие

~aТЫM воздухом. На любом большом. заводе применя~

пневматические молотки и сверла; в шахтах пользуются

пневматическими отбойными молотками.

Каждый такой инструмент присоединяется резиновым

шлангом к магистрали - трубе, в которую непрерывно

IJ магиотраль

Рис. З02. Схема компрессора

накачивается воздух с центральной компрессорной станции.

Простейшая схема нагнетательного насоса-компрессора показана на рис. 302. При вращении маховика поршень 1 движется в цилиндре вправо и влево.· При движении порш­ ня вправо сжатый воздух открывает клапан 2 и нагнетается

больше распрямляется трубка 1 и тем больше отклоняется

стрелка. Обычно положение стрелки, соответствующее ат­

мосферному давлению, отмечается нулем на шкале. Тогда.

342

манометр показывает, на сколько измеряемое давление nре­

вышаe>r атмосферное: показания нрибора дают так наЗЫвае­ мое «избыточное давление». Такие манометры употребляют,

например, для измерения давления пара в паровых котлах.

укажем еще HecK~ЬKO применений сжатого воздуха.

Воздушные (пневматицеские) тормоза широко приме­

няют на железных дорогах, в трамвае, троллейбусах,

Рис. 304. Схема устроиства воздушного тормоза на поездах жеJ!е9ноl\

дороги

метро, автомашинах. В пневматических тормозах на поездах тормозные колодки 1 прижимаются к бандажам колес сжа­

тым воздухом, находящимся В резервуаре 2, расположенном

под вагоном (рис. 304). Управление тормозами произво­

дится при помощи изменения давления воздуха в магистра­

льной трубе, котораясоедиияет вагоны с главныы: резер­

вуаром сжатого воздуха, находящимся на тепловозе и

наполняемом компрессором. Управ­

ление устроено так, что при умеиь­

шении давления в магистрали рас­

пределительный кран 3 соединяет

резервуар 2 с тормозным цилинд- . ром 4 и тем самым осуществляет

торможение. Уменьшение давле­

ния в магистрали может осуще­

ствляться машинистом, который

ного торможения в любом вагоне

или случится обрыв магистрали.'

. Сжатым воздухом пользуются в нефтяной промышленности при добыче нефти. В районе залежей н~ти под землю

накачивают сжатый воздух, вытесняющий на поверхность

нефть. Иногда, вследствие каких-либо процессов, происхq-

343

г n а в 8 IX. rИДРОДИНАМИКА И АЭРОДИНА.МИКА

§ 180. Давление в движущейся жидкости. Мы уже знаем, что давление жидкости определяется степенью ее сжатия. Мы

измеряем давление в покоящейся жидкости, погружая в

нее манометр (§ 145). Погружение манометра в покоящуюся

жидкость не изменяет степени ее сжатия; это позволяет

правильно измерить давление жидкости.

Измерение давления в двuжущейся жидкости, например

давления воды, текущей в трубе, или давления воздуха при

ветре, сопряжено с большими затруднениями. Конечно, 11

в этом случае давление, определяется степенью сжатия жидкости. Но манометр, 'погруженный в поток, является

препятствием;' которое может заметным образом изменить

течение. При этом изменится и степень сжатия, а следова­ тельно, и давление в разных точках жидкости. Таким об,

разом, манометр, внесенный в поток, может 'измерить не то

давление, которое существовало в потоке до его погружения,

и, следовательно, показания его могут не-дать правильной

картины распределения давления в жидкости до внесения

препятствия.

Изменение давления, вносимое препятсtвием, ясно на примере действия паруса. При равномерном ветре степень

сжатия воздуха в соседних участках одна и та же, а поэтому

можно было бы думать, что силы давления, действующие по обе стороны "паруса, будут одинаковы и, следовательно, ветер не будет двигать парусное судно. Но в действитель­

ности парус существенно" изменяет движение воздуха.

Воздух, ударяясь о преП,ятствие (парус), сжимается, по­

добно тому как сжимается мяч, ударившийся о стенку; со

стороны ветра слои воздуха, прилегающие к парусу, сжаты

сильнее, чем остальной воздух: здесь давление повышается.

Напротив, с другой стороны паруса воздух, обтекая парус,

оказывается менее сжатым, и давление здесь уменьшено.

Таким образом, с одной <;тороны паруса давление повышено, "а с другой - пониЖено. Возникает сила, приложенная к'

парусу, которая и движет судно.

З4S

· Как !:I парус в потоке воздуха, манометр, погруж;енный

втекущую жидкость, также изменяет скорость потока.

Если повернуть манометр мембраной к потоку, пЬлучим

большее показание; повернув манометр' мембраной вдоль

потока, получим меньшее показание; наконец, повернув

мембрану на 1800 от направления потока, получим еще

меньшее показание. Когда манометр, представляющий собой плоскую коробку, расположен мембраной вдоль по­

тока, то он мало изменяет скорость движения жидкости и

степень ее сжатия; поэтому при таком положении мембраны

покззание манОметра будет близко к давленню в потоке до

погружения манометра.

Как же сделать, чтобы препятствие, погруженное в по­

ток, совсем не изменяло скорости жидкости? Для этого нужно, чтобы препятствие само двигалось с той же скоро­ стью, что и жидкость в потоке. Например, воздушный шар уносится воздухом с постоянной скоростью, равной СКО рости ветра. Поэтому он не нарушает движения окружаю­

щего воздуха, не создает в нем ни сгущений, ни разреже- .

ний; для такого шара движение воздуха неощутимо, так

как воздух по отношению к lIему не движется.

Так же и манометр, перемещающийся вместе с жидко­

стью, не будет изменять движения окружающих его слоев жидкости и покажет давление, которое было в потоке до его

погружения. В этом случае жидкость неnодвuжна по от­

ношению к манометру и измерение давления происходит

так ,же, как и в гидрост~тике. На манометр, движущийся

вместе с жидкостью, действует со стороны жидкости давле­

ние, которое соответствует степени сжатия ЖИДКОСТИ в

ненарушенном потоке.

Давление, которое можно было бы измерить манометром,

движущимся вместе с жидкостью, называют статическим

давлением. Показание же неподвижного манометра, мемб­

рана которого поставлена перпендикулярно к потоку,

называют полным даВлением. .

Итак, для измерения статического давления следует

применять движущийся манометр, а для цзмерения пол­ ного давления ~ неподвижныЙ. Однако на практике было

бы крайне затруднительно применять движущийся мано-,

метр. Чтобы обойти это затруднение, прибору дают такую

форму, при которой скорость течения вблизи места, где

измеряется давление, не изменяется. Такой прибор можно

сделать в виде узкой трубки с закругленным закрытым

концом и с отверстиями сбоку (рис. 306, а). Струи потока,

проходя мимо отверстий, практически сохраняют свою

346

скорость неиз~енной, и в колене манометра, соединенного с такой трубкой, создается статическое давление. Такая трубка нос.чт название зонда. Если же взять открытую с конца трубку, 'отверстие которой обращено к потоку

(рис. 306,6), 1'0 У отверстия струя будет останавливаться,

~~~ [=---~--J~.

--~" _Р"'-

, -.-: ---

Рис. 306. а) При обдувании зонда показание манометра не меняется. 6) При обдувании трубки Пито манометр показывает повышенное дав­ ление. в) Схема измерителя скорости потока

как и перед мембраной, так что в колене манометра, при· соединенного к такой трубе, создастся полное давление.

Такая трубка называется трубкой Пиmo. Манометр, сое­ диненный с трубкой Пито, показывает более высокое дав­ ление, чем манометр, соединенный с зондом.

Присоединим теперь обе трубки к двум коленам одного и

того же манометра (рис. 306, в). Тогда манометр будет по­

казывать разность между полным и статическим давления­

ми. Че~ больше скорость набегающего потока, тем больше

эта разность. Поэтому по показаниям манометра, соеди­

ненного с такими трубками, можно судить о скорости пото~

ка. Мы получаем измеритель скорости потока, который мо­

жно применять как для измерения скорости воздуха, так

идля измерения скорости течения жидкости.

Такие измерители скорости устанавливаются на само­

летах. Они измеряют скорость воздуха относительно само­

лета или, что то же, скорость самолета относительно возду­

ха. Измеритель скорости - один из самых важных прибо­

ров, используемых при пилотировании самолета.

§ 181. Течение ЖИДКОСТИ ПО трубам. Трение ЖИДКОСТИ. ДЛЯ

измерения статического давления жидкОСти, текущей в

трубе, можно применить такое устройство: к маленьким

347

отверстиям, просверленным в трубе, присоединяют верти­

кальные открытые сверху трубочки (манометРИ,ческие труб­

ки, рис. 307). Если жидкость в трубе находится под давле­ нием, то в вертикальной трубочке жидкость поднимается

на высоту, соответствующую статическому давлению в дан-

ческое давление жидкости, текущей вдоль трубы постоян­

ного сечения. Для этого воспользуемся прибором, изобра­

женным па рис. 308. По высоте вьды в манометрических

трубках, расположенных вдоль трубы, мы можем определить

статическое давление в разных местах трубы. Опыт пока­

зывает, что вдоль трубы по течению давление падает: чем дальше от начала трубы, тем меньше статичеС'Кое давление

Рис. 308. Манометрические трубки показывают падени.е давления вдоль

трубы, по которой течет вода

текущей жидкости. При этом в узких трубах давление па­

дает быстрее, чем в широких. В достаточно широких и корот­

ких трубах при не очень большой скорости течения падение

давления практически незаметно.

• ) Точнее, разности между этим статическим давлением и наружным

атмосферным давлением,--

348

. Падение давления ЖИДКОСТИ в трубе объясняется тре­ нием. На жидкостъ,.текущую по трубе, действуioт со сторо­ ны стенок трубы силы трения; они направлены противопо-

,ложно движению жидкости. Выделим мысленно в трубе

объем жидкости ABCD (~ис. 309). Со стороны стенок трубы

кость течет по трубе равномерно (с постоянной скоростью),

то силы давления, действующие на выделенный объем, должны уравновешивать силы трения. Отсюда заключаем, что сила давления F1 , действующая в направлении движе­ ния, по модулю должна быть больше силы давления F 2 , действующей в противоположном направлении. Поэтому

давление на задней поверхности АВ выделенного объема

ДO.JIжно быть больше давления на передней поверхности

CD, т. е. давление должно убывать вдоль трубы по течению.

Если увеличить скорость жидкости, текущей по трубе, то сила трения возрастет. Поэтому при БЬЮ:FРОМ течении жидкости падение давления в данной трубе больше, чем при

медленном течении. При данной скорости течения трение'

сказывается сильнее в узких трубах, чем в широких; по­ этому вдоль узких труб давление падает быстрее.

При устройстве водопроводов необходимо учитывать

. падение давления в водопроводных трубах. Когда все краны водопровода закрыты й вода по трубам не течет, то давление воды соответствует высоте водонапорной башни (§ 155). В покоящейся жидкости никаких сил трения не возникает. Если же краны открыты и вода течет, то трение

в трубах вызывает падение давления: -«напор» воды YMeHЬ~

шается. Чем большее число кранов открыто и чем быстрее

течет вода, тем больше падает напор. .

При недостаточной высоте. водонапорной башни может оказаться, что падение давления ВОДЫ- в трубах больше, чем давление, соответствующее высоте башни над верхними

этажами дома. Тогда вода перестанет течь из кранов верх-

349

них этажей. Но в часы, когда потребление воды невелико.

П<>'Гери давления уменьшаются и вода в верхних этажах

появляется снова; и, вообще, давление воды В водонапорной

сети больше всего ночью, когда расход воды мал, скорость

движения воды по трубам мала, и поэтому трение сравни­

тельно невелико.

Падение давления в водопроводе демонстрируется на

следующей модели (рис. 310). Узкая (для увеличения тре­ ния) труба А и ее ответвление В, снабженные манометри­ ческими трубками, могут закрываться, кранами а и Ь.

, ,/

'/

/

ь

lJ

Рис. 310. Прибор для демонстрации падения давления в водопроводе

Если налить воду в сосуд С и закрыть краны, то давление в трубах А и В будет соответствовать высоте налитой воды

и вода во всех манометрических трубках будет стоять на

том же уровне, что и в сосуде С. Если немного открыть кран а, то в трубе А мы увидим знакомую уже нам картину

падения давления вдоль трубы; в трубе В давление упадет, но будет одинаково во всех точках и равно давлению в точке

D. Если больше открыть кран а, то и пЗдение давления вдоль трубы А станет больше. Если приоткрыть еще кран Ь,

то появится падение давления воды вдоль трубы В и одно­ временно уменьшится давление во всех точках трубы А.

§ 182. Закон Бернулли *). Как мы упоминали, в трубах не

очень ДJЩнных и достаточно широких трение настолько

невелико, что им можно пренебречь. При этих условиях

падение, давления так мало, что в трубе постоянного сече-

.

, .) д. Бернулли вывел уравнение (называемое уравненШ!At. Бернул­ А'"), которое связывает давление в жидкости со скоростью ее течеНИlt,. из уравнения Бернуллн получается соотношение, которое в этом пара­

графе называется законом Бернулли. Следует иметь в "Виду, ЧТО термин

«закон Берну.n:.n:и~ не является общепринятым. (ПрuAt.eЧ. peiJ.)

'350

ния жидкость В манометрических трубках находится прак­

тичес~и на одной высоте. Однако, если труба имеет в разных

местах неодинаковое сечение, то даже в тех случаях, когда

трением можно пренебречь, опыт обнаруживает, что ста­

тическое давление в разны?{ местах различно.

Возьмем трубу неодинакового сечения (рис. 311) и будем

пропускать через нее постоянный поток воды. По уровням в манометрических трубках мы увидим, что в суженных

~ ~~~~~=

~---=-~

-====-~-=.::::::::== ~

~~-~~.

Рис. 311. В узких частях трубы статическое давление текущей жидко­

СПI меньше, чем Б широких

местах трубы статическое давление меньше, чем в широких.

Значит, при переходе из широкой части трубы в более узкую

'степень сжатия жидкости уменьшается (давление умень­

шается), а при переходе из-более узкой части в ШИрОI<УЮ -

увеличивается (давление увеличивается).

Это объя'Сняется тем, что в широких частях трубы жид­

кость должна течь медленнее, чем в узких, так как коли­

чество жидкости, протекающей за одина.ковые промежутки

времени, одинаково для всех сечений трубы. Поэтому при переходе из узкой части трубы в широкую скорость жид­

кости уменьшается: жидкость тормозится, как бы натекая

на препятствие, и степень сжатия ее (а также ее давление)

растет. Наоборот, при переходе из широкой части трубы

в . узкую скорость жидкости увеличивается и сжатие ее

уменьшается: жидкость, ускоряясь, ведет себя подобно распрямляющейся пружине.

Итак, мы видим, что давление жидкости, текущей по

трубе, больше там, где скорость движения жидкости мень­ ше, и обратно: давление меньше тaM~ где скорость движения

жидкости больше. Эту зависимость между скоростью жид­ кости и ее давлением называют законом Бернулли по имени швейцарского физика и математика Даниила Бернулли

(1700-1782).

ЭS1