• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Тема 1. ВВЕДЕННЯ

1.1. Предмет гідравліки.

1.2. Коротка історія розвитку гідравліки.

1.3. Фізичні властивості рідини.

1.1. Предмет гідравліки

Гідравліка є теоретичною базою найважливіших напрямів сучасної техніки, широко використовуються при рішенні різних інженерних задач. Ряд напрямків гідравліки виділилися в самостійні науки.

Наука, що вивчає закони рівноваги і рухи рідин і взаємодію між рідиною і твердими тілами, повністю або частково зануреними в рідину, називається гідромеханікою.

Гідравліка - це прикладна гідромеханіка, закони якої використовують для вирішення завдань переважно інженерного характеру. Слово «гідравліка» походить від грецького слова «hydraulikas» - водяний (hydor-вода і aulos - трубка).

Об'єктом вивчення гідравліки є не тільки вода, але і інші рідини (нафта, нафтопродукти і ін.). У гідравліці нехтують молекулярною будовою речовини і розглядають рідину як безперервне середовище, що заповнює об'єм без порожнеч і проміжків. Причому в гідравліці розглядають краплинні рідини, тобто такі, які в малих кількостях набувають сферичної (краплинної форми), а у великих кількостях - форми русла (резервуара) і утворюють вільну поверхню.

Гідромеханіка вивчає макроскопічні рухи рідин. Завдання, що вирішуються гідромеханікою, підрозділяють на дві великі групи: внутрішні- вивчення руху рідини, обмеженої твердими або такими, що деформуються поверхнями (рух води в трубах, каналах, річках і ін.); зовнішні- вивчення обтікання тіл в рідині.

Гідромеханіку підрозділяють на гідростатику, кінематику рідини і гідродинаміку.

У гідравліці широко застосовують методи експериментального вивчення рідини як в лабораторних, так і натурних умовах. Застосування методів математичного моделювання в гідравліці з використанням ЕОМ привело до створення обчислювальної гідравліки.

1.2. Коротка історія розвитку гідравліки

Гідравліка розвивалися під впливом запитів практики, унаслідок логічних потреб прогресу самої науки і прагнення людства до кращого розуміння природного середовища. Відбувалося поступове накопичення практичних відомостей і навиків, фактів і спостережень за окремими явищами при переміщенні рідин. Основні дослідження по гідравліці, що мають науковий характер, відносяться до пізнішого часу. Так, в кінці 15 ст. Леонардо да Вінчі, великий італійський художник і інженер, створив наукову працю «Про рух і вимірювання води». Проте вона не була опублікована за життя автора. В кінці 16 в. (1585 р.) С. Стевін опублікував книгу «Начала Гидростатики». У 1643 р. Е. Торрічеллі одержав формулу для швидкості витікання рідини з отвору. У 1650 р. Б. Паскаль сформулював закон про передачу руху рідиною, що послужив основою для створення різних гідравлічних машин. У 1686 р. Ньютон сформулював гіпотезу про внутрішнє тертя в рухомій рідині, ввівши поняття про в'язкість рідини.

Розвиток гідромеханіки як самостійної науки започаткований у середині 18 ст. у працях геніального російського ученого М.В. Ломоносова і членів Петербурзької Академії Наук Данила Бернуллі і Леонардо Ейлера.

У 1738 р. було опубліковано дослідження Д. Бернуллі «Гідродинаміка або записки про сили і рух рідини». У 1748 р. Ломоносов вперше повідомив про відкритий ним закон збереження речовини й енергії Л. Ейлеру. У 1775 р. Л. Ейлер вивів диференціальні рівняння рівноваги і рухи рідини і рівняння нерозривності (суцільності) рідини.

Гідравлічна школа Росії сформувалася в Петербурзькому інституті інженерів шляхів сполучення. Професор цього інституту, міністр шляхів сполучення П.П. Мірошників створив перший підручник з гідравліки російською мовою і опублікував його в 1836 р. Він же організував в 1855 р. першу в Росії навчальну гідравлічну лабораторію.

Істотний прогрес в галузі гідравліки був досягнутий в другій половині 18 ст. і в 19 ст. Вплив на розвиток гідравліки зробили учені Росії, Франції і ін. країн. Гідравлічна школа Франції значною мірою сформувалася під впливом діяльності учених, які працюювали в Школі мостів і доріг в Парижі. Істотний внесок у розвиток гідравліки внесли А. Шезі, Л.Навьє, А. Сен-Венан, А. Дарсі, А. Базен, Ж. Буссинеськ і ін.

У 1880 р. Д.И. Менделєєв у творі «О сопротивлении жидкостей и о воздухоплавании» встановив існування двох режимів руху рідини, що характеризуються різними законами тертя в рідині. У 1881 р. И.С. Громеко створив теорію гвинтового руху рідини. У 1883 р. Н.П. Петров розробив гідродинамічну теорію мастила, в якому розвинув гіпотезу Ньютона про внутрішнє тертя в рухомій в'язкій рідині, довівши, що гіпотеза Ньютона є законом. Видатні дослідження з гідромеханіки й аеродинаміки належать великому російському ученому Н.Е. Жуковському. Він зробив великий внесок у рішення багатьох проблем гідравліки.

Науки, що вивчають рідини в широкому сенсі згідно з існуючою класифікацією наукових дисциплін, мають наступні назви: механіка рідини, газу і плазми; гідравліка.

Перший напрям сьогодні представлений працями великих учених: М.В. Келдиша,
М. А. Лаврентьева, Л.И. Седова, П.Я. Кочіной, С.А. Хрістіановіча і ін.

1.3. Фізичні властивості рідини

1.3.1. Сили, що діють на рідину. Тиск в рідині

Рідина, як фізичне середовище, володіє двома відмітними властивостями. По-перше, вона мало змінює свій об'єм при зміні тиску і температури і в цьому відношенні схожа з твердим тілом. По-друге, рідина володіє текучістю, під якою розуміється здатність її скільки завгодно сильно змінювати свою форму під дією скільки завгодно малих сил. Завдяки текучості рідина не має власної форми, а приймає форму судини, в якій знаходиться, і в цьому відношенні вона схожа з газом. Унаслідок текучості рідини (рухливості її частинок), в ній не можуть діяти зосереджені сили, а можлива лише дія сил, безперервно розподілених за її об’ємом (масі) або по поверхні. У зв'язку з цим сили, що діють на дані об'єми рідини і по відношенню до них є зовнішніми силами, підрозділяються на масові і поверхневі. Масові сили пропорційні масі рідини, а для однорідних рідин, пропорційні її об'єму. Це, перш за все, сила тяжіння, а потім сили інерції переносного руху, що діють на рідину при відносному її спокої у прискорено рухомих резервуарах або при відносному русі рідини в руслах, що переміщаються з тим або іншим прискоренням. Поверхневі сили безперервно розподілені по поверхні рідини і пропорційні величині цієї поверхні (при рівномірному їх розподілі). Ці сили обумовлені безпосередньою дією сусідніх об'ємів рідини на даний об'єм або ж дією інших тіл (твердих або газоподібних), дотичних з даним рідким тілом.

У загальному випадку поверхнева сила R, що діє на площадку S, направлена під деяким кутом до неї. Силу R можна розкласти на нормальну P і тангенціальну Т складові (рис 1.1).

Рис.1.1. Складові поверхневої сили

Перша, якщо вона направлена всередину об'єму, називається силою тиску, а друга - силою тертя. Як масові, так і поверхневі сили в гідромеханіці розглядаються у вигляді одиничних сил, тобто сил, віднесених до відповідних одиниць. Масові сили відносяться до одиниці маси, а поверхневі - до одиниці площі. Оскільки будь-яка масова сила (згідно з другим законом Ньютона) рівна добутку маси на прискорення, то, отже, одинична масова сила чисельно рівна відповідному прискоренню. Одинична поверхнева сила, яка називається напруженням поверхневої сили, як і повна сила, розкладається на нормальне і дотичне напруження. Нормальне напруження, тобто напруження сили тиску, називається гідромеханічним тиском або просто тиском і позначається буквою р.

У разі спокою рідини, тиск називається гідростатичним. Середній тиск визначається за формулою

(1.1)

де - сила тиску, рівномірно розподілена по площадці .

У загальному випадку гідромеханічний тиск в даній точці дорівнює межі, до якої прагне відношення сили тиску до площадки, на яку він діє, при прагненні величини площадки до нуля, тобто при

(1.2)

Якщо тиск відмінний від нуля, то він називається абсолютним Р_абс, якщо ж він відмінний від атмосферного, то його називають надмірним Р_над, або манометричним. Отже, абсолютний тиск дорівнює атмосферному плюс надмірний, тобто

(1.3)

За одиницю тиску в міжнародній системі одиниць (СІ) прийнятий рівномірно розподілений тиск, при якому на площу в 1м² діє сила в 1 Ньютон, тобто 1 Н/м².

У техніці застосовується також система одиниць МКГСС (літр, кг-сила, секунда), в якій за одиницю тиску приймається 1 кгс/м². Широко використовується також позасистемна одиниця - технічна атмосфера, рівна одному кілограму сили на см², тобто 1атм = 1 кгс/см² = 10 000 кгс/м².

Співвідношення між одиницями тиску в системах СІ і МКГСС наступне

1 Н/м² = 0,102 кгс/м² або 1кгс/м²=9,81Н/м².

Дотичне напруження в рідині, тобто напруження тертяпозначається і виражається, подібно до тиску, межею

(1.4)

Одиниці вимірювання ті ж, що і у тиску.

Густина- це маса, віднесена до одиниці об'єму

(1.5)

Питома вага- вага одиниці об'єму рідини

(1.6)

1.3.2. Основні властивості рідини

До основних фізичних властивостей рідини належить стисливість, теплове розширення, в'язкість, випаровуваність, поверхневе натягнення.

Стисливість- це властивість рідини змінювати свій об'єм під дією тиску. Кожна рідина є пружним тілом, що приблизно підпорядковується закону Гука. Стисливість характеризується коефіцієнтом об'ємного стиснення , який є відношенням зміни об'єму при одиничній зміні тиску

(1.7)

де - зміна тиску; - зміна об'єму; і W₀ - тиск і об'єм за початкових умов.

Знак "мінус" показує, що додатному приросту тиску відповідає негативний приріст об'єму. Величина, зворотна коефіцієнту об'ємного стиснення, називається об'ємним модулем пружності

, Па.

(1.8)

Таким чином, при зміні тиску об'єм рідини визначається виразом

(1.9)

а густина з урахуванням (1.5)

(1.10)

Для краплинних рідин значення об'ємного модуля пружності великі. Так, для води К = 2×10⁹ Па, тобто у випадку підвищення тиску на один Паскаль об'єм води зменшиться на , що дуже незначно. Тому, в більшості випадків краплинні рідини можна вважати нестискуваними.

Температурне розширення– це властивість рідини змінювати свій об'єм і густину за постійної маси під дією зміни температури. Температурне розширення характеризується коефіцієнтом об'ємного розширення, який є відносною зміною об'єму при одиничній зміні температури

1/град.

(1.11)

Тоді

(1.12)

Висновок: збільшення температури або зменшення тиску при незмінній масі супроводжується зростанням об'єму і зменшенням густини рідини.

В'язкість– це властивість рідини чинити опір зсуву своїх сусідніх шарів. В'язкість викликається силами молекулярного зчеплення і виявляється як дотичне напруження

, Н/м2,

(1.13)

де – коефіцієнт динамічної в'язкості (Н с/м² );

– градієнт швидкості по нормалі до площадки, на якому визначається дотичне напруження. Градієнтом будь-якої величини називають швидкість її зміни в будь-якому з напрямків.

Разом з коефіцієнтом динамічної в'язкості мірою в'язкості є і коефіцієнт кінематичної в'язкості

, м2/с.

(1.14)

В'язкість вимірюється і в стоксах (Ст): Ст = см²/с.

В'язкість краплинних рідин істотно залежить від температури, зменшуючись із зростанням останньої, оскільки при цьому зменшуються сили молекулярного зчеплення, слід зазначити, що в газах, на відміну від рідин, при збільшенні температури в'язкість не зменшується, а збільшується, оскільки в газах вона обумовлена головним чином тепловим рухом молекул.

Вплив температури на в'язкість оцінюється виразом

(1.15)

де – безрозмірний коефіцієнт, рівний 0,023...0,033 (для рідини АМГ-10, використовуваній в авіаційних гідравлічних системах, = 0,028)

Тиск також має вплив на в'язкість. Цей вплив оцінюється виразом

(1.16)

де – безрозмірний коефіцієнт, рівний для масел 0,023...0,003.

Кінематичний коефіцієнт в'язкості води в см²/с при температурі T (°С) обчислюється за формулою

(1.17)

Випаровуваність– це явище, пов'язане з відривом від поверхні рідини молекул за рахунок їх теплових коливань. Випаровуваність властива всім рідинам, проте інтенсивність випаровування різних рідин неоднакова і залежить від умов, в яких знаходиться рідина. Одним з показників, що характеризують випаровуваність, є температура кипіння рідини при нормальному атмосферному тиску. Чим вище температура кипіння, тим менше випаровуваність.

Повнішою характеристикою випаровуваності є тиск (пружність) насиченої пари р_t, дана у функції температури. Чим більший цей тиск, тим більша випаровуваність. Із збільшенням температури тиск р_t росте (рис. 1.2).

Рис.1.2.Залежність тиску насиченої пари від температури для різних рідин:

1- АМГ-10; 2 - індустріальні масла; 3- синтетична рідина ОРОНИТ 8515.

Дані про величину р_t рідини необхідні для визначення і придатності для роботи в умовах високих температур і низького тиску.

Поверхневий натягобумовлений силами, прагнучими надати поверхні рідини каплевидну (сферичну) форму. Він проявляється лише при малих площах поверхні (діаметру трубопроводу). Тому для зниження явища капілярності необхідно брати трубки діаметром не менше 10...12мм. За Лапласом, висота підйому рідини в капілярі

, мм,

(1.18)

де ;

- сила поверхневого натягу;

- питома вага рідини;

d - діаметр трубки.

Значення к для деяких рідин:

– для води +30;

– для спирту +12;

– для ртуті -14.

Поверхневий натяг визначається видом рідини і газу над її вільною поверхнею, домішками і температурою. Залежність коефіцієнта поверхневого натягу від температури T (°С) для води, дотичної з повітрям, має вигляд

(1.19)

Основні фізичні властивості деяких рідин представлені в таблиці 1.

Читайте також:

1. I. Введення в розробку програмного забезпечення
2. Адаптація персоналу: цілі та завдання. Введення у посаду
3. Аналіз факторів і причин відхилень від плану введення виробничих потужностей і основних фондів
4. ВВЕДЕННЯ
5. Введення
6. Введення
7. Введення
8. Введення
9. Введення в SNMP
10. Введення в дію об’єктів інвестування.
11. Введення в кольорознавство
12. Введення даних

Переглядів: 779