Методические указания. Гидростатика изучает законы равновесия жидкости

Гидростатика изучает законы равновесия жидкости. Она рассматривает распределение давления в покоящейся жидкости, численное определение, определение направления и точки приложения силы давления жидкости на плоские и криволинейные поверхности.

Как известно, единицей давления является ньютон на квадратный метр – паскаль. Для практических вычислений эта единица неудобна, поэтому чаще применяют кратные единицы – килопаскаль (КПа) и мегапаскаль (МПа): 1 КПа = 10³ Па; 1 МПа = 10⁶ Па.

Атмосферное давление в какой-либо точке зависит от высоты этой точки над уровнем моря и незначительно колеблется в одной и той же точке. Нормальное атмосферное давление на уровне моря при температуре 0°С принимают равным р_ат = 101,3 КПа.

Часто жидкость сверху соприкасается с газом. Поверхность раздела между жидкостью и газообразной средой называется свободной поверхностью жидкости.

Различают абсолютное давление р_аб, манометрическое (избыточное) – р_ми вакуум – р_в, между которыми существуют (рис. 1) следующие зависимости:

, (1)

где р_ат – атмосферное давление – давление между условными нулями. На рис.1 можно проследить пределы изменения разных давлений. Вакуум, например, не может быть больше атмосферного давления.

Жидкость давит на поверхность, с которой она соприкасается. При определении силы гидростатического давления, как правило, оперируют манометрическим давлением или вакуумом, так как атмосферное давление действует на расчетную конструкцию со всех сторон, и поэтому его можно не принимать во внимание. При определении силы давления часто используется так называемая пьезометрическая плоскость или плоскость атмосферного давления – горизонтальная плоскость, проходящая через уровень жидкости в пьезометре, присоединенном к сосуду. Поверхность жидкости на уровне пьезометрической плоскости подвергается лишь воздействию атмосферного давления, т. е. р_м = 0. Если сосуд с жидкостью открыт в атмосферу, то пьезометрическая плоскость совпадает со свободной поверхностью жидкости. В случае же герметично закрытого сосуда она может располагаться выше или ниже свободной поверхности. В общем случае расстояние по вертикали до пьезометрической плоскости определяется по формуле

, (2)

где r – плотность жидкости, g – ускорение силы тяжести, р – манометрическое давление или вакуум в любой точке жидкости. Расстояние h откладывается от той точки жидкости, давление в которой равно р, вверх, если оно манометрическое, и вниз – в случае вакуума.

Силу давления на плоскую поверхность можно определить аналитическим

и графоаналитическим методами. При аналитическом методе силу давления выражают формулой

, (3)

где р_с – гидростатическое давление в центре тяжести плоской фигуры; А – площадь фигуры.

При графоаналитическом методе строят эпюры давления, выражающие закон распределения давления на контур тела, погруженного в жидкость. Сила давления равняется объему пространственной эпюры, а ее вектор проходит через центр тяжести этой эпюры. Равнодействующая сила давления жидкости на криволинейную поверхность обычно выражается тремя взаимно перпендикулярными составляющими: F_х, F_у, F_z. Горизонтальные составляющие F_хи F_увычисляют как силы давления на плоскую поверхность, равную проекции данной криволинейной поверхности на соответствующую вертикальную плоскость. Для определения вертикальной составляющей F_zстроят тела давления. При этом криволинейная поверхность проектируется вертикально на пьезометрическую плоскость. Телом давления называется тело, с одного конца ограниченное криволинейной поверхностью, с другого – пьезометрической плоскостью, а со сторон – вертикальной проектирующей поверхностью. Сила F_z равна весу жидкости, занимающей объем V тела давления:

. (4)

При определении сил давления жидкости на сложные поверхности часто бывает целесообразно сначала графически суммировать эпюры, а также тела давления, построенные для отдельных частей данной поверхности.

Покой жидкости относительно стенок сосуда, движущегося вместе с жидкостью, называется относительным ее покоем или равновесием. При этом отдельные частицы жидкости не смещаются одна относительно другой ився масса жидкости движется как одно твердое тело. В данном случае к силе тяжести добавляется еще другая – сила инерции, и поверхность жидкости чаще всего перестает быть горизонтальной. В относительном покое может рассматриваться, например, жидкость в перемещающейся цистерне, горючее в баке движущейся машины, жидкость во вращающемся сосуде и т.п. При вращении жидкости вместе с цилиндрическим сосудом относительно его вертикальной оси симметрии с постоянной угловой скоростью w ее поверхность под воздействием центробежных сил принимает форму параболоида вращения АВС (рис. 2), высота H которого определяется по формуле

, (5)

а объем параболоида

. (6)

Когда при вращении жидкости ее свободная поверхность пересекает дно сосуда (рис.3), показанный объем жидкости можно вычислять двояко:

. (7)