Гидравлика
Информативные ответы на все вопросы курса «Гидравлика» в соответствии с Государственным образовательным стандартом.
Оглавление
Приведённый ознакомительный фрагмент книги Гидравлика предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.
3. Силы, действующие в жидкости
Жидкости делятся на покоящиеся и движущиеся.
Здесь же рассмотрим силы, которые действуют на жидкость и вне ее в общем случае.
Сами эти силы можно разделить на две группы.
1. Силы массовые. По-другому эти силы называют силами, распределенными по массе: на каждую частицу с массой ΔM = ρW действует сила ΔF, в зависимости от ее массы.
Пусть объем ΔW содержит в себе точку А. Тогда в точке А:
где FА — плотность силы в элементарном объеме.
Плотность массовой силы — векторная величина, отнесена к единичному объему ΔW; ее можно проецировать по осям координат и получить: Fx, Fy, Fz. То есть плотность массовой силы ведет себя, как массовая сила.
Примерами этих сил можно назвать силы тяжести, инерции (кориолисова и переносная силы инерции), электромагнитные силы.
Однако в гидравлике, кроме особых случаев, электромагнитные силы не рассматривают.
2. Поверхностные силы. Таковыми называют силы, которые действуют на элементарную поверхность Δw, которая может находиться как на поверхности, так и внутри жидкости; на поверхности, произвольно проведенной внутри жидкости.
Таковыми считают силы: силы давления которые составляют нормаль к поверхности; силы трения которые являются касательными к поверхности.
Если по аналогии (1) определить плотность этих сил, то:
нормальное напряжение в точке А:
касательное напряжение в точке А:
И массовые, и поверхностные силы могут быть внешними, которые действуют извне и приложены к какой-то частице или каждому элементу жидкости; внутренними, которые являются парными и их сумма равна нулю.
Силы, действующие в жидкостях. Поверхностные и массовые силы
Поскольку жидкость обладает свойством текучести и легко деформируется под действием минимальных сил, то в жидкости не могут действовать сосредоточенные силы, а возможно существование лишь сил распределённых по объёму (массе) или по поверхности. В связи с этим действующие на жидкости распределённые силы являются по отношению к жидкости внешними. По характеру действия силы можно разделить на две категории: массовые силы и поверхностные.
Массовые силы пропорциональны массе тела и действуют на каждую жидкую частицу этой жидкости. К категории массовых сил относятся силы тяжести и силы инерции переносного движения. Величина массовых сил, отнесённая к единице массы жидкости, носит название единичной массовой силы. Таким образом, в данном случае понятие о единичной массовой силе совпадает с определением ускорения. Если жидкость, находится под действием только сил тяжести, то единичной силой является ускорение свободного падения:
Если жидкость находится в сосуде, движущимся с некоторым ускорением а, то жидкость в сосуде будет обладать таким же ускорением (ускорением переносного движения):
Поверхностные силы равномерно распределены по поверхности и пропорциональны площади этой поверхности. Эти силы, действуют со стороны соседних объёмов жидкой среды, твёрдых тел или газовой среды. В общем случае поверхностные силы имеют две составляющие нормальную и тангенциальную. Единичная поверхностная сила называется напряжением. Нормальная составляющая поверхностных сил называется силой давления Р, а напряжение (единичная сила) называется давлением:
5
Какие силы называют поверхностными
1.1. Что такое гидромеханика?
а) наука о движении жидкости;
б) наука о равновесии жидкостей;
в) наука о взаимодействии жидкостей;
г) наука о равновесии и движении жидкостей.
1.2. На какие разделы делится гидромеханика?
а) гидротехника и гидрогеология;
б) техническая механика и теоретическая механика;
в) гидравлика и гидрология;
г) механика жидких тел и механика газообразных тел.
1.3. Что такое жидкость?
а) физическое вещество, способное заполнять пустоты;
б) физическое вещество, способное изменять форму под действием сил;
в) физическое вещество, способное изменять свой объем;
г) физическое вещество, способное течь.
1.4. Какая из этих жидкостей не является капельной?
1.5. Какая из этих жидкостей не является газообразной?
а) жидкий азот;
б) ртуть;
в) водород;
г) кислород;
1.6. Реальной жидкостью называется жидкость
а) не существующая в природе;
б) находящаяся при реальных условиях;
в) в которой присутствует внутреннее трение;
г) способная быстро испаряться.
1.7. Идеальной жидкостью называется
а) жидкость, в которой отсутствует внутреннее трение;
б) жидкость, подходящая для применения;
в) жидкость, способная сжиматься;
г) жидкость, существующая только в определенных условиях.
1.8. На какие виды разделяют действующие на жидкость внешние силы?
а) силы инерции и поверхностного натяжения;
б) внутренние и поверхностные;
в) массовые и поверхностные;
г) силы тяжести и давления.
1.9. Какие силы называются массовыми?
а) сила тяжести и сила инерции;
б) сила молекулярная и сила тяжести;
в) сила инерции и сила гравитационная;
г) сила давления и сила поверхностная.
1.10. Какие силы называются поверхностными?
а) вызванные воздействием объемов, лежащих на поверхности жидкости;
б) вызванные воздействием соседних объемов жидкости и воздействием других тел;
в) вызванные воздействием давления боковых стенок сосуда;
г) вызванные воздействием атмосферного давления.
1.11. Жидкость находится под давлением. Что это означает?
а) жидкость находится в состоянии покоя;
б) жидкость течет;
в) на жидкость действует сила;
г) жидкость изменяет форму.
1.12. В каких единицах измеряется давление в системе измерения СИ?
а) в паскалях;
б) в джоулях;
в) в барах;
г) в стоксах.
1.13. Если давление отсчитывают от абсолютного нуля, то его называют:
а) давление вакуума;
б) атмосферным;
в) избыточным;
г) абсолютным.
1.14. Если давление отсчитывают от относительного нуля, то его называют:
а) абсолютным;
б) атмосферным;
в) избыточным;
г) давление вакуума.
1.15. Если давление ниже относительного нуля, то его называют:
а) абсолютным;
б) атмосферным;
в) избыточным;
г) давление вакуума.
1.16. Какое давление обычно показывает манометр?
а) абсолютное;
б) избыточное;
в) атмосферное;
г) давление вакуума.
1.17. Чему равно атмосферное давление при нормальных условиях?
а) 100 МПа;
б) 100 кПа;
в) 10 ГПа;
г) 1000 Па.
1.18. Давление определяется
а) отношением силы, действующей на жидкость к площади воздействия;
б) произведением силы, действующей на жидкость на площадь воздействия;
в) отношением площади воздействия к значению силы, действующей на жидкость;
г) отношением разности действующих усилий к площади воздействия.
1.19. Массу жидкости заключенную в единице объема называют
а) весом;
б) удельным весом;
в) удельной плотностью;
г) плотностью.
1.20. Вес жидкости в единице объема называют
а) плотностью;
б) удельным весом;
в) удельной плотностью;
г) весом.
1.21. При увеличении температуры удельный вес жидкости
а) уменьшается;
б) увеличивается;
г) сначала увеличивается, а затем уменьшается;
в) не изменяется.
1.22. Сжимаемость это свойство жидкости
а) изменять свою форму под действием давления;
б) изменять свой объем под действием давления;
в) сопротивляться воздействию давления, не изменяя свою форму;
г) изменять свой объем без воздействия давления.
1.23. Сжимаемость жидкости характеризуется
а) коэффициентом Генри;
б) коэффициентом температурного сжатия;
в) коэффициентом поджатия;
г) коэффициентом объемного сжатия.
1.24. Коэффициент объемного сжатия определяется по формуле
1.29. Вязкость жидкости это
а) способность сопротивляться скольжению или сдвигу слоев жидкости;
б) способность преодолевать внутреннее трение жидкости;
в) способность преодолевать силу трения жидкости между твердыми стенками;
г) способность перетекать по поверхности за минимальное время.
1.30. Текучестью жидкости называется
а) величина прямо пропорциональная динамическому коэффициенту вязкости;
б) величина обратная динамическому коэффициенту вязкости;
в) величина обратно пропорциональная кинематическому коэффициенту вязкости;
г) величина пропорциональная градусам Энглера.
1.31. Вязкость жидкости не характеризуется
а) кинематическим коэффициентом вязкости;
б) динамическим коэффициентом вязкости;
в) градусами Энглера;
г) статическим коэффициентом вязкости.
1.32. Кинематический коэффициент вязкости обозначается греческой буквой
1.33. Динамический коэффициент вязкости обозначается греческой буквой
1.34. В вискозиметре Энглера объем испытуемой жидкости, истекающего через капилляр равен
а) 300 см3;
б) 200 см3;
в) 200 м3;
г) 200 мм3.
1.35. Вязкость жидкости при увеличении температуры
а) увеличивается;
б) уменьшается;
в) остается неизменной;
г) сначала уменьшается, а затем остается постоянной.
1.36. Вязкость газа при увеличении температуры
а) увеличивается;
б) уменьшается;
в) остается неизменной;
г) сначала уменьшается, а затем остается постоянной.
1.37. Выделение воздуха из рабочей жидкости называется
а) парообразованием;
б) газообразованием;
в) пенообразованием;
г) газовыделение.
1.38. При окислении жидкостей не происходит
а) выпадение смол;
б) увеличение вязкости;
в) изменения цвета жидкости;
г) выпадение шлаков.
1.39. Интенсивность испарения жидкости не зависит от
а) от давления;
б) от ветра;
в) от температуры;
г) от объема жидкости.
1.40. Закон Генри, характеризующий объем растворенного газа в жидкости записывается в виде
Давление определяется
Что такое жидкость?
физическое вещество, способное заполнять пустоты
физическое вещество, способное изменять форму под действием сил
физическое вещество, способное изменять свой объем
физическое вещество, способное течь
Какая из этих жидкостей не является капельной?
Какая из этих жидкостей не является газообразной?
Реальной жидкостью называется жидкость
не существующая в природе;
находящаяся при реальных условиях;
в которой присутствует внутреннее трение;
способная быстро испаряться
Идеальной жидкостью называется
жидкость, в которой отсутствует внутреннее трение;
жидкость, подходящая для применения;
жидкость, способная сжиматься;
жидкость, существующая только в определенных условиях.
На какие виды разделяют действующие на жидкость внешние силы?
силы инерции и поверхностного натяжения;
внутренние и поверхностные;
массовые и поверхностные;
силы тяжести и давления.
Какие силы называются массовыми?
сила тяжести и сила инерции;
сила молекулярная и сила тяжести;
сила инерции и сила гравитационная;
сила давления и сила поверхностная.
Какие силы называются поверхностными?
вызванные воздействием объемов, лежащих на поверхности жидкости;
вызванные воздействием соседних объемов жидкости и воздействием других тел;
вызванные воздействием давления боковых стенок сосуда;
вызванные воздействием атмосферного давления.
Жидкость находится под давлением. Что это означает?
жидкость находится в состоянии покоя;
на жидкость действует сила;
жидкость изменяет форму.
В каких единицах измеряется давление в системе измерения СИ?
Если давление отсчитывают от абсолютного нуля, то его называют:
Если давление отсчитывают от относительного нуля, то его называют:
Если давление ниже относительного нуля, то его называют:
Какое давление обычно показывает манометр?
Чему равно атмосферное давление при нормальных условиях?
Давление определяется
отношением силы, действующей на жидкость к площади воздействия;
произведением силы, действующей на жидкость на площадь воздействия;
отношением площади воздействия к значению силы, действующей на жидкость;
отношением разности действующих усилий к площади воздействия.
Поверхностное натяжение
Понятие и характеристики поверхностного натяжения
С явлением поверхностного натяжения жидкости мы сталкиваемся каждый день:
Силы поверхностного натяжения действуют вдоль поверхности жидкости, стремясь сократить ее площадь. Как будто жидкость заключена в упругую пленку, которая стремится сжать свое содержимое.
Потенциальная энергия взаимного притяжения молекул жидкости больше их кинетической энергии. Это позволяет веществу сохранять объем (но не форму), и этот объем ограничивается поверхностью жидкости.
На молекулу жидкости, которая находится внутри, действуют силы притяжения со стороны других молекул, и они уравновешивают друг друга. А на ту молекулу, что находится на поверхности, действуют силы притяжения не только со стороны других молекул жидкости, но и со стороны газа (внешней среды). Эти вторые значительно меньше первых, поэтому равнодействующая сила притяжения направлена внутрь жидкости, что способствует удержанию молекулы на поверхности.
Поверхностное натяжение — это стремление жидкости сократить свою свободную поверхность, то есть уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с газообразной фазой.
Чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше молекул, которые обладают избыточной потенциальной энергией, и тем больше поверхностная энергия. Этот факт можно записать в виде следующего соотношения:
Поверхностная энергия жидкости
W = σS
W — поверхностная энергия жидкости [Дж]
S — площадь свободной поверхности [м 2 ]
σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]
Отсюда мы можем вывести формулу коэффициента поверхностного натяжения.
Коэффициент поверхностного натяжения — это физическая величина, которая характеризует данную жидкость и численно равна отношению поверхностной энергии к площади свободной поверхности жидкости.
Коэффициент поверхностного натяжения
σ = W/S
W — поверхностная энергия жидкости [Дж]
S — площадь свободной поверхности [м 2 ]
σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]
Коэффициент поверхностного натяжения жидкости зависит:
Коэффициент поверхностного натяжения не зависит от площади свободной поверхности жидкости, хотя может быть рассчитан с ее помощью.
Если на жидкость не действуют другие силы или их действие мало, жидкость будет стремиться принимать форму сферы, как капля воды или мыльный пузырь. Так же ведет себя вода в невесомости. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, стягивающие эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.
Сила поверхностного натяжения
F = σl
F — сила поверхностного натяжения [Н]
l — длина контура, ограничивающего поверхность жидкости [м]
σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]
В химической промышленности в воду часто добавляют специальные реагенты-смачиватели, не дающие ей собираться в капли на какой-либо поверхности. Например, их добавляют в жидкие средства для посудомоечных машин. Попадая в поверхностный слой воды, молекулы таких реагентов заметно ослабляют силы поверхностного натяжения, вода не собирается в капли и не оставляет на поверхности пятен после высыхания.
