ГИДРОСТАТИКА. Силы, действующие в жидкости. Гидростатическое давление


Гидростатикой называют раздел гидравлики, в котором рассматривают законы равновесия жидкостей и практическое применение этих законов в гидравлических расчетах.

Представляя жидкость как непрерывную среду, исходя из законов механики сплошной среды, можно рассматривать равновесие и течение жидкости без учета механизма молекулярного взаимодействия.

При выводе различных гидравлических зависимостей необходимо учитывать влияние различных сил, действующих на жидкость. В общем случае эти силы делятся на силы массовые и силы поверхностные.

Массовыми называются силы, действие которых на рассмат­риваемый элемент численно пропорционально массе этого эле­мента или, для однородной жидкости, - ее объему.

К массовым силам относят­ся, например, силы тяжести и силы инерции (Даламбера, переносная, Кориолиса). Силы инерции равны произведению массы на соответствующие ускорения и направлены в сторону, им противоположную. Массовые силы обычно характе­ризуют величинами, отнесенными к единице массы (единичными массовыми силами). Таким образом, сила, действующая на жидкость, будет численно равна уско­рению. Рассматривая проекции этой силы на оси координат нетрудно убедиться, проекции единичных массовых сил равны проекциям ускорений на соответствующие оси

, (2.1)

Х, Y, Z – проекции единичных массовых на оси координат х, у, z соответственно;

ах, ау, аz – проекции ускорений.

Поверхностными называются силы, величина которых пропорциональна, при равномерном их распределении, площади той поверхности, на которую эти силы действуют.

Единичную поверхностную силу, называемую напряжением поверхностной силы, разложим на две составляющие – нормальную и касательную силы (Рис 2.1).

Нормальная поверхност­ная сила может быть сжимающей силой – силой давления или растягивающей – силой растяжения. Касательные силы – это силы внутреннего трения.

В гидростатике рассматриваются только нормальные поверхностные силы давления и массовые силы. Ка­сательные силы не учитываются, так как в состоянии равновесия (в ста­тике) касательные напряжения в жидкости равны нулю. Основным понятием гидростатики является понятие гидростатическое давление, равное отношению силы давления Р к площадке F, на которую эта сила действует (Рис 2.2 )

, (2.2)

где – среднее гидростатическое давление, Па.

Если рассмотреть предел этого отношения, когда площадь стремится к нулю, то получим величину, которая выражает истинное давление в точке

. (2.3)

Как уже отмечалось выше, понятие истинное давление в точке – есть напряжение, возникающее в жидкости под действием сжимающих сил.

Давление в точке обладает двумя свойствами.

Первое свойство. Гидростатическое давление в точке действует нормально к площадке действия и является сжимающим, т.е. оно направлено внутрь того объема жидкости, давление на который мы рассматриваем.

Второе свойство. Величина гидростатического давления в рассматриваемой точке не зависит от ориентации площадки, на которую оно действует