Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | ||
|
Гидростатика изучает законы равновесия покоящейся жидкости. На покоящуюся жидкость действуют два вида сил: массовые (сила тяжести, сила инерции) и поверхностные (силы давления, центробежные силы).
Под действием внешних сил в каждой точке жидкости возникают внутренние силы, характеризующие ее напряженное состояние. Предел отношения равнодействующей внешних сил к элементарной площадке называют гидростатическим давлением:
. (1.9)
Гидростатическое давление обладает двумя свойствами: первое – оно всегда направлено по нормали к площадке, второе – в любой точке жидкости оно всегда одинаково по всем направлениям.
Если покоящаяся жидкость находится под действием только силы тяжести, то дифференциальное уравнение равновесия запишется как:
g∙dz = 0.
Интегрируя получим z = const, т.е. свободная поверхность есть горизонтальная плоскость, рис 1.1 а.
Рис. 1.1 - Формы свободной поверхности под действием силовых факторов: а – воздействие силы тяжести; б - воздействие силы тяжести и сил инерции; в - воздействие силы тяжести и угловой скорости. |
Если жидкость заключена в сосуде, движущемся прямолинейно с постоянным ускорением j, то она находится в относительном покое (т.е. не перемещается относительно сосуда) и дифференциальное уравнение равновесия имеет вид:
- jdx + gdz = 0, (1.10)
откуда после интегрирования получим уравнение наклонной плоскости:
(1.11)
т.е. поверхность жидкости, находящейся под действием силы тяжести и силы инерции наклонена к горизонту под углом α (рис.1.1б):
(1.12)
Если жидкость заключена в сосуде, который вращается вокруг вертикальной оси с постоянной угловой скоростью ω, то она находится в относительном покое и уравнение равновесия опишется как:
(1.13)
Интегрируя, получим:
или (1.14)
т.е. свободная поверхность жидкости приобретает вид параболоида вращения, рис. 1.1 в.
Рассмотрим жидкость, находящуюся в покое и определим гидростатическое давление Р в точке А на элементарной площадке S, расположенной на глубине h от свободной поверхности и параллельной ей, рис. 1.2.
Рис. 1.2 – Схема к выводу основного уравнения гидростатики |
Сумма проекций всех сил на ось Z:
р∙dS - g∙h dS – р 0 dS = 0 или р = р 0 + g∙h, (1.15)
т.е. давление, приложенное к свободной поверхности жидкости, передается во все точки жидкости без изменения, это положение называется законом Паскаля.
Рассмотрим жидкость, находящуюся в сосуде под давлением Р 0 и сообщающуюся с атмосферой, рис. 1.3. Абсолютное давление или полное гидростатическое давление в точке А состоит из:
рабс = ратм + g×hр, (1.16)
а с другой стороны:
рабс = р 0 + g×h, (1.17)
откуда:
(1.18)
Величина hP называется пьезометрической высотой.
Высоту поднятия жидкости в трубке (пьезометре) относительно плоскости отсчета называют пьезометрическим напором.
Для закрытого сосуда;
(1.19)
Рис. 1.3 – Схема установки пьезометра |
Определим силы давления покоящейся жидкости на стенку сосуда. Рассмотрим случай давления на плоскую стенку, рис. 1.4.
Рис. 1.4 – Схема к определению сил давления покоящейся жидкости на плоскую стенку сосуда |
Если плоская стенка подвергается одностороннему давлению жидкости (на несмоченной стороне стенки – атмосферное давление), то полная сила давления Р воспринимая стенкой и нормальная к ней:
Р = рс∙F = g∙hc∙F, (1.20)
где F – смоченная площадь стенки;
рс – избыточное давление в центре тяжести площади F;
hc – расстояние по вертикали от центра тяжести площади F до пьезометрической плоскости или плоскости напора 0-0.
Положение центра давления (точка D) определяется формулой:
(1.21)
где yD и yС – расстояния центра давления D и центра тяжести С стенки до линии пересечения плоскости стенки с пьезометрической плоскостью;
IC – момент инерции площади стенки относительно оси С-С, проходящей через центр тяжести С.
Рис. 1.5 – Схема к определению сил давления покоящейся жидкости на криволинейную стенку сосуда |
Формулу (1.21) можно привести к виду:
(1.22)
Для вертикальной стенки:
(1.23)
Для криволинейной стенки полная сила Р находится в плоскости, нормальной к образующей, рис.1.5
(1.24)
Горизонтальная составляющая:
Рх = Fx∙pcx, (1.25)
где Fx – площадь проекции криволинейной стенки на вертикальную плоскость,
pcx = g∙hcx – избыточное давление жидкости на уровне центра тяжести этой жидкости.
Вертикальная составляющая:
Pz = V∙g, (1.26)
где V – объем, ограниченный стенкой, вертикальным проектирующим цилиндром и пьезометрической плоскостью.
Положение линий действия горизонтальной составляющей (координаты hDX) определяется как для вертикальной стенки.
Результирующая сила давления жидкости на поверхность, погруженного в нее тела равна весу жидкости в объеме погруженной части тела и направлена вверх по вертикали – закон Архимеда:
P= VТ∙g, (1.27)
где VТ – объем жидкости, вытесненной телом.
Линия действия выталкивающей силы проходит через центр тяжести вытесненного объема жидкости и называется центром водоизмещения, рис. 1.6. В общем случае центр водоизмещения (точка D) не совпадает с центром тяжести тела (точка С).
Рис. 1.6 – Схема действия сил на тело, погруженное в жидкость |
Устойчивость тела при подводном плавании достигается при расположении его центра тяжести ниже центра водоизмещения D.
Надводное плавание устойчиво, если метацентр М находится выше центра тяжести С. Метацентр – точка пересечения линии действия подъемной силы Р, действующей на выведенное из равновесия плавающее тело с осью симметрии тела 0-0.
Остойчивость – это способность плавающего тела сохранять устойчивое равновесие при кренах. Мерой остойчивости служит метацентрическая высота МС. Чем больше высота МС, тем выше остойчивость, рис. 1.7.
Дата публикования: 2014-11-02; Прочитано: 538 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!