Продольное течение в русле реки и силы, действующие в потоке
Вода в потоке движется под действием силы тяжести. Скорость течения воды зависит от соотношения составляющей силы тяжести, параллельной линии продольного уклона, и силы сопротивления, возникающей в результате внутреннего трения между частицами жидкости и трения, оказываемого движущейся массе воды берегами и дном русла.
Рассмотрим силы, действующие в потоке применительно к русловому процессу (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Схема действующих в потоке физических сил (по А.В. Караушеву, 1969)
Выделим в потоке двумя сечениями 1 и 2,перпендикулярными поверхности и дну некоторый объем воды. Вода в потоке движется под действием силы тяжести F. Эту силу можно разложить на две составляющие: параллельную дну Fx и нормальную (перпендикулярную) ко дну Fy.
Сила Fx, зависящая от уклона, вызывает движение воды в потоке. Сила гидродинамического сопротивления (трения) Fy возникает в результате трения массы воды о дно и берега и зависит от шероховатости смоченного периметра. Силы гидродинамического давления Р1 и Р2 при равенстве сечений и постоянном уклоне уравновешиваются.
Изменение уклона, шероховатости, а также сужения и расширения русла, приводят к изменению скорости течения в живом сечении и по длине потока. Для вычисления средней скорости течения при отсутствии непосредственных измерений широко применяется формула Антуана Шези (1718−1798), которую он вывел в результате теоретических и экспериментальных исследований:
(5.1)
где vср — средняя скорость течения, м/с;
R — гидравлический радиус, м;
hср — средняя глубина потока м;
i — относительный продольный уклон;
C — коэффициент Шези, м0,5/с2.
Коэффициент Шези, по сути, учитывает потерю энергии потока на преодоление сил трения, зависящих от шероховатости и размеров русла в поперечнике.
Физические силы, участвующие в продольном движении водного потока и определяющие его гидравлические параметры, оказывают весьма существенное влияние на русловые процессы.
Дата добавления: 2016-03-04; просмотров: 930;