Сұйықтар мен газдардың қозғалысы

Заттың үш агрегаттық күйі белгілі: қатты, сұйық және газ күйлері. Қатты дене өзінің көлемі мен пішінін тұрақты өзгеріссіз етіп сақтайды. Сұйықтар өзінің пішінін жеңіл өзгерте алады. Олар өздері тұрған ыдыстың пішінін қабылдайды. Қатты денелер тәрізді сұйықтардың көлемін өзгерту қиын. Газдарда белгілі көлем де, белгілі пішін де болмайды. Белгілі пішіндері болмайтын сұйықтар мен газдар жеңіл ағады. Аққыштық олардың ортақ қасиеті болып табылады. Сұйықтар мен газдардың қозғалысы гидроаэромеханика заңдарымен сипатталады.

Сұйықтардағы қысым

Заттың бірлік көлеміндегі массасы болып затың тығыздығы табылады. , заттың белгілі мөлшерінің массасы да, оның көлемі.Тығыздық температураға және қысымға тәуелді болады. Қысым деп беттің бірлік ауданына бетке перпендикуляр бағытта түсірілген күш аталады. , беттің ауданы. Мысалы, суға батырылған ∆s дене бетінің әрбір элементіне сұйық тарапынан, бетке перпендикуляр бағытталған ∆F күш әсер етеді. Бірлік ауданға сұйықтың түсіретін күші сұйықтың қысымы деп аталады.

, Өлшем бірлігі: 1 Па =1 Н/м²

Сұйықтың бетінен тереңдікте орналасқан нүктені қарастырайық. Сұйықтың ішіндегі тереңдіктегі қысымды нүктенің үстіндегі сұйық бағананың салмағы тудырады. ауданға әсер ететін күш болады, мұндағы бағананың көлемі, сұйықтың тығыздығы, еркін түсу үдеуі. Сонда қысым . Сонда қысым сұйықтың тығыздығына және батырылу тереңдігіне тура пропорционал болады. Егер сұйық біртекті болатын болса, ондай бірдей тереңдікте қысым да бірдей болады.

Егер сұйықтың немесе газдың ішінде және биіктіктерге сәйкес түрде қысымдар болса, онда өрнекті төмендегідей интегралдауға болады.

.

Тығыздығындағы өзгерістерді ескермеуге болатын сұйықтар мен газдар үшін болады да, интеграл есептелінеді. . шаманы сұйықтағы тереңдік д.а. Егер - сұйықтың жоғарғы деңгейінің координаты болатын болса, онда атмосфералық қысымға тең болады. . Сұйықтың ішіндегі тереңдіктегі қысым . Мұнда сұйық бетіндегі атмосфералық қысым ескерілген.

Паскаль заңы

Қалыпты сұйықтар мен газдарда қысым Паскаль заңына бағынады:

Тыныштықта тұрған сұйықтың барлық бағытында, кез келген жерінде қысым бірдей және қысым барлық көлемге бірдей беріледі. Сұйыққа немесе газға түсірілген атмосфералық қысым барлық көлемге бірдей беріледі. Берілген көлемдегі сұйыққа немесе газға түсірілген қысым көлемнің ішіндегі барлық нүктелерге өзгеріссіз таралады. Сұйыққа немесе газға батырылған дененің салмағы азаяды. Осы жағдайда денеге төмен қарай бағытталған ауырлық күші мен сұйықтың немесе газ тарапынан жоғары қарай бағытталған ығыстырушы күш әсер етеді.

Архимед күші

Тығыздығы сұйыққа батырылған биіктігі әрбір шетінін ауданы болатын цилиндрді қарастырайық. Цилиндрдің жоғарғы шетіне орта тарапынан қысым түсіріледі. Төмен қарай бағытталған күш сонда . Цилиндрге төменгі жағынан күш әсер етеді. Осы екі күштің тең әсерлісіығыстырушы күш болып табылады: ол жоғары қарай бағытталған және мынаған тең: . Мұндағы - цилиндр көлемі, дегеніміз сұйық тығыздығы болатындықтан көбейтіндісі цилиндрдің көлеміне тең болатынкөлемді алып тұрған ортаның ауырлық күшіне тең болады. Сөйтіп цилиндрге әсер ететін ығыстырушы күш шама жағынан цилиндр ығыстырып шығарған сүйықтың салмағына тең. Бұл қорытынды батырылған дененің пішініне тәуелсіз. Архимед заңы деп аталады. Сұйыққа батырылғн денеге дененің ығыстырып шығарған сұйығының салмағына тең ығыстырушы күш әсер етеді.

Егер сұйық сығылмайтын болса, оның тығыздығы қысымнан тәуелсіз. Онда сұйық ағынының көлденең s қимасында, Һ биіктігінде және ρ тығыздығында салмағы: ал төменгі бөлігіне түсірілген қысым биіктікпен сызықты түрде өзгереді:

мұндағы - гидростатикалық қысым деп аталады. Сұйықтың төменгі бөліктеріне жоғарыға қарағанда көбірек қысым түседі, сонда суға батырылған денеге Архимед заңы бойынша анықталатын күш әсер етеді:

суға немесе газға батырылған денеге, сұйық немесе газ тарапынан дененің салмағына тең, кері итеруші күш (жоғары бағытталған) әсер етеді.

мұндағы r– судың тығыздығы, V – дененің көлемі.

Сұйықтың ағын сызықтары мен ағын түтіктері

Кинематикалық тұрғыдан қарастырғанда, сұйық қозғалысын оның әрбір бөлшектерінің қозғалысымен сипаттауға болады. Сұйық қозғалысын қарастырғанда ағын сызықтары және ағын түтігі деген ұғымдар пайланылады.

Мүлде сығылмайтын және мүлде тұтқыр емес сұйық идеал сұйық деп аталады.

Сұйықтың әрбір бөлшегі өзіне тән жылдамдықтың векторы бойымен қозғалады, яғни сұйық жылдамдық векторының өрісі болып табылады.

Егер жылдамдық векторы бойымен сызықтар жүргізсек, олардың әрбір нүктесінен жүргізілген жанама сұйық бөлшегі, жылдамдықтың сол нүктедегі бағытына дэл келсе, онда мұндай сызықтарды ағын сызықтары деп атайды.

Сұйықтардың ағын сызықтарымен шектелген бөлігін ағын түтігі деп атайды.

Үзілісcіздік теңдеуі

Айталық, ағын түтігі бойымен үзіліссіз сұйық ағып жатсын. Мұндағы ағыс сұйық массасының сақталу заңын қанағаттандырады. Олай болса, ағын түтігінің көлденең қимасы s арқылы ∆t бірлік уақытта өтетін сұйық массасы ∆m мынаған тең болады:

егер сұйық сығылмайды деп есептесек, онда s₁ қимадан ағып өтетін сұйық көлемі қандай болса, s₂ қимадан ағып өтетін сұйық көлемі де дэл сондай, сондықтан

бұдан мұндағы екенін ескерсек

онда ,

яғни, сығылмайтын тұтқыр емес сұйық ағысының жылдамдығы мен ағын түтігінің көлденең қимасының көбейтіндіcі берілген ағын түтігі үшін тұрақты шама болады. Бұл айтылған қортынды ағынның үзіліссіздігі жөніндегі теоремасы деп аталады.

Бернулли теңдеуі

Ағын түтігі ішінде қозғалған сұйықтың жылдамдығы мен қысымының арасындағы байланысты қарастырайық. Ол үшін s₁ және s₂ көлденең қималарымен шектелген ағын түтігін алайық. Бұл қимадан толық энергияның өзгерісі сұйықтың орын ауыстыру жұмысына тең:

мұндағы және ал болса, әрі осыдан үзіліссіздік теңдеуі бойынша, сұйықтың алған көлемі , ал масса .

Теңдеулерді орнына қоя отырып, Бернулли теңдеуін аламыз:

мұндағы - динамикалық қысым; - гидростатикалық қысым; p- статикалық қысым.

Бернулли теңдеуі –идеал сұйықтың ағысына арналған энергияның сақталу заңы болып табылады, яғни түтіктен аққан сұйықтың қысымы қозғалыс жылдамдығы аз жерде – көп, ал қозғалыс жылдамдығы көп жерде – аз.

Тұтқырлық

Реал сұйықтар мен газдарда ішкі үйкеліс болады, ол тұтқырлық д.а. Түрліше ортаның тұтқырлығы әртүрлі болады. Сұйықтардың тұтқырлығы газдарға қарағанда артық. Тұтқырлықты ортаның қабаттарының бір-бірімен салыстырмалы қозғалысы кезінде үйкеліс деп қарастыруға болады. Сұйықтарда тұтқырлық молекулалар арасындағы тартылыс күшінің арқасында, ал газдарды атомдар мен молекулалардың соқтығысулар нәтижесінде пайда болады. Барлық нақты сұйықтардың бір қабаты екінші қабатымен салыстырғанда орын ауыстырса, онда үйкеліс күші пайда болады. Осы үйкеліс күшін тұтқырлық деп атайды.

Сұйықтың бірінші қабатынан екіншісіне өткенде жылдамдығының шапшаң өзгеруі, жылдамдық градиенті деп аталады.

Ньютон, алғашқы рет сұйықтың екі қабатының арасындағы үйкеліс күші, жылдамдықтар айырымы мен жанасып тұрған сұйық қабырғасы бетінің ауданына тура пропорционал және сол қабаттың ара қашықтығына кері пропорционал екендігін дэлелдеді:

мұндағы -пропорционалдық коэффициент, ол сұйықтың тұтқырлық коэффициенті деп аталады және ол температураға байланысты. Сұйықтарда температура өскен сайын тұтқырлық азаяды, ал газдарда керісінше, температура өскен сайын тұтқырлық көбейеді.

Сұйық тұтқырлық әсерінен болатын қозғалыс кезіндегі жанама кернеулігімынадай:

Тұтқырлықтың өлшемі бірлігі – (Па·с)

Тұтқырлықтың берілген сұйықтың тығыздығына қатынасы тұтқырлықтың кинематикалық коэффициенті деп аталады.

Ағынның түрлері

Егер ағыс сылбыр болып, сұйықтың қатарлас қабаттары бір-біріне қатысты сырғанай қозғалып бара жатқан тәрізді болса, онда мұндай ағысты ламинарлық немесе қатөқабат ағыс д.а. Ламинарлық ағыс кезінде сұйықтың немесе газдың әрбір бөлшегі тегіс траектория бойымен қозғалады. Түрліше бөлшектердің траекториялары қиылыспайды. Ағыстың жылдамдығы белгілі мөлшерден асып кеткенде ағыс турбулентке айналады. Турбулеттік ағысқа тән нәрсе мұндай ағыс кезінде кішкентай ретсіз құйындар д.а. иірімдер пайда болады. Құйындар орсан зор энергия мөлшерін жұтады.