Proprietățile de bază ale lichidelor
Hidromecanica este știința echilibrului și mișcării fluide și a interacțiunii lichidelor cu substanțele solide.
Hidromecanica, fiind o ramura a mecanicii generale, este subdivizata in hidrostatica si hidrodinamica.
În hidrostatice, lichidele sunt studiate în repaus, în hidrodinamică - într-o stare de mișcare.
În hidrodinamică, sunt luate în considerare corpurile cu mobilitate ușoară (fluiditate). Organismele care au fluiditate, sunt capabile, fără fragmentare, să își schimbe forma sub acțiunea forțelor mici. Aceste corpuri se numesc lichide.
Prin lichid în hidromecanică se înțeleg mediul lichid și gazos, deoarece acestea au proprietăți comune, iar fenomenele observate pot fi descrise de aceleași dependențe. Cu toate acestea, există diferențe între picăturile de lichid și gazele:
1. Forțele semnificative ale interacțiunii intermoleculare formează suprafețe libere. 2.Poolul este comprimat.
1. Nu există interacțiuni intermoleculare, astfel încât suprafețele libere să nu fie formate, ci să ocupe complet volumul în care sunt localizate. 2. Strângeți bine.
Proprietățile mecanice principale ale lichidului sunt:
Greutatea fluidului este caracterizată de greutatea specifică - raportul dintre greutatea lichidului p și volumul ocupat v
Densitatea unui lichid este raportul dintre masa lichidului m și volumul său v
Densitatea și gravitatea specifică sunt legate de dependențe # 947; = G, unde g = 9,81 m / s 2 - accelerația gravitației. În calculele navei luați:
pentru apă proaspătă # 961; = 1,0 t / m 3 (102 kgf # 903; s 2 / m 4), # 947; = 9,81 kN / m3;
pentru apa de mare de densitate standard # 961; = 1,025 t / m 3. (105 kgf # 903; s 2 / m 4); # 947; = 10,06 kN / m3;
pentru aer # 961; = 1,225 kg / m3 (0,125 kgf # 903, cu 2 / m 4), # 947; = 12,02 N / m 3.
Tensiunea de suprafață se numește proprietatea unui fluid pentru a experimenta o presiune suplimentară pe suprafața liberă sub acțiunea forțelor de coeziune moleculară. Această proprietate a lichidului este caracterizată de coeficientul de tensiune superficială # 945;.
Viscozitatea este abilitatea unui lichid de a rezista când o parte din acesta se alunecă în raport cu cealaltă. Forța internă de frecare F este proporțională cu modificarea vitezei fluidului # 965; într-o direcție perpendiculară pe mișcare și depinde de zona S de contact a elementelor de fluid
Aceasta este legea fricțiunii vâscoase a lui Newton. Coeficientul de proporționalitate în el se numește coeficientul de vâscozitate dinamică - # 956; (Pa # 903; c).
Raportul dintre coeficientul de vâscozitate dinamică și densitatea unui lichid se numește coeficientul de vâscozitate cinematică
Coeficientul de vâscozitate cinematică depinde de temperatură. La o temperatură de 20 ° C pentru apă, este de 1 # 903, 10-6 m 2 / s, pentru aer - 1.5 # 903, 10 -5 m 2 / s.
Hidro statica studiaza legile echilibrului unui mediu lichid si interactiunea unui lichid cu solide, adica în situațiile în care nu există nici o mișcare sau viteza este neglijabilă.
Hidro statica face posibilă înțelegerea anumitor proprietăți ale unei astfel de cantități hidrodinamice importante ca presiunea. Presiunea unui solid este determinată de greutatea sa, presiunea lichidului fiind adâncimea acestuia. Forța de presiune pe fundul vasului p (Fig.1, a) nu depinde de forma, ci este determinată numai de nivelul de lichid turnat în vasul conform formulei hidrostatică:
unde # 961; - densitatea fluidului, și p0 - presiunea fluidului la un nivel fix (la suprafața liberă disponibilă - presiunea atmosferică), h - lag-ul verticalei la acest nivel până la punctul de luat în considerare (adâncimea de imersie), ri - manometru (manometru).
În contact cu un solid, lichidul exercită o presiune asupra lui, îndreptată de-a lungul normalului către suprafața corpului. Forța presiunii excesive a fluidului pe o suprafață plană având o axă verticală de simetrie (figura 1, b)
unde hc este distanța verticală ct. suprafața de suprafață de la nivelul suprafeței libere a lichidului; S este suprafața.
Fig.1. Presiunea hidrostatică și presiunea fluidului.
Punctul D al aplicării forțelor de presiune rezultate pe suprafață, numit centrul de presiune (centimetri), este o distanță de ct. zona (C) la o distanță l.
Forța presiunii excesive pe suprafața curbilinie (fig.1, c) este determinată de componentele sale Fx. Fy și Fz. de-a lungul axelor de coordonate
Componenta orizontală a forței de presiune pe suprafața curbată (Fx sau Fy)
unde hcv este distanța verticală față de planul vertical al capului hidrostatic (fig.1, c).
Linia de forță Fhor trece prin centrul presiunii D a zonei proiecției verticale Dvert.
Componenta verticală a forței de presiune pe suprafața curbilinie este egală cu greutatea cilindrului lichid delimitată de jos de suprafață, iar deasupra planului capului hidrostatic (figura 2, a) trece prin ct. volumul de
O prismă pe o suprafață curbată se numește un corp de presiune.
Volumul corpului de presiune W nu coincide neapărat cu volumul real al vasului. Dacă lichidul se află sub suprafața curbată, cantitatea de presiune determinată de volumul corpului la deasupra planului suprafeței presiunii hidrostatice, iar forța este îndreptată vertical în sus (Figura 2b).
Fig.2. Forța de presiune pe suprafețele curbilinii.
Când corpul plutește pe suprafața unui lichid, volumul corpului de presiune este egal cu volumul de apă deplasat de acesta, adică, volumul de deplasare (fig.2c, d)
Când corpul este complet scufundat într-un lichid, volumul corpului de presiune a jumătății superioare a suprafeței sale este egal cu WB. și cea inferioară-Wn.
Componenta verticală în astfel de cazuri este numită forța de ejecție (pentru corpurile plutitoare, forța de menținere sau flotabilitatea)
Rezultatul este un Arhimede: pe corp scufundat este o forță egală cu greutatea apei deplasate spre ei și îndreptat vertical în sus. Linia de acțiune a acestei forțe trece prin centrul de greutate al volumului deplasat V.
Legea lui Arhimedes în forma obișnuită nu este aplicabilă corpurilor care au contact cu suprafețele pereților vaselor, între care lichidul nu poate penetra. Un astfel de corp simte doar un efort din partea fluidului Apăsați-l pe sol (fig.2, d). Dar de îndată ce un lichid se scurge pe suprafața de contact, o forță împinge corpul.
Hidrodinamica studiază mișcarea unui fluid, care poate fi constant și instabil.
Mișcarea este numită constantă. Dacă în fiecare punct al spațiului fix ocupat de fluidul în mișcare,
Creșterea nu depinde de timp și, prin urmare, rămâne constantă. În caz contrar, mișcarea este instabilă.
Natura mișcării fluidului poate fi laminară și turbulentă. Miscarea fluidelor laminare este o miscare in care nu exista pulsatii de viteza, ceea ce duce la amestecarea particulelor. Dacă mișcarea lichidului are loc cu o pulsație a vitezelor care determină amestecarea particulelor fluxului, atunci o astfel de mișcare se numește turbulentă.
În hidrodinamică se utilizează conceptul de linii curente. Linii de linii curente referitoare la vectorul de viteză al fluxului. Cu mișcarea constantă a lichidului, fluxurile și traiectoriile mișcării particulelor lichidului coincid, pentru un fluid instabil nu coincid.
Suprafața formată de liniile curente care trec prin circuitul închis se numește tubul de curent; lichidul care umple tubul curentului, - un flux elementar.
O reprezentare vizuală a liniilor curente este dată de luarea în considerare a debitului unui aer plan cu un flux uniform de aer. Din Fig.3. Se poate observa că fundul liniei actuale nu este foarte distorsionat, acolo creșterea vitezei de curgere este nesemnificativă. Partea superioară a aripii schimbă mult mai mult fluxul de aer - acolo sunt comprimate fluxurile și viteza este considerabil mai mare decât în fluxul însuși.
Figura 3. Aripi curgând uniform Fig.4. La derivarea ecuației
fluxul de aer. Bernoulli.
Este mult mai dificil să descriem mișcarea unui fluid decât să rezolvăm problemele hidrostatice, prin urmare ecuațiile de continuitate și ecuația Bernoulli sunt utilizate pe scară largă în hidrodinamică.
Ecuația continuității exprimă legea conservării masei și este folosită în forma:
aici Viteza lichidului, S este aria secțiunii transversale a tubului curent, Q este debitul volumetric. Legea poate fi formulată după cum urmează: prin orice secțiune transversală a tubului curent per unitate de timp, aceeași cantitate de fluid curge.
Una dintre cele mai importante ecuații de hidromecanică a fost obținută de Daniel Bernoulli (figura 4). El a fost primul care a descris mișcarea unui fluid incompresibil ideale (forța de frecare între elementele unui fluid perfect, precum și între un lichid ideală și pereții vasului sunt absente). Ecuația Bernoulli are forma:
p + # 961; # 965; 2/2 + Gh = const,
unde p este presiunea fluidului, # 961; - densitatea, # 965; - viteza de mișcare, g - accelerația gravitației și h - înălțimea, pe care se află elementul lichid. Ecuația Bernoulli exprimă legea conservării energiei și condiția de continuitate pentru curgerea unui fluid ideal.
În această ecuație, toți termenii au o dimensiune de presiune și sunt numiți respectiv:
p este presiunea statică;
# 961; # 965; 2/2 - presiune dinamică;
# 961; gh - presiunea în greutate.
Se poate observa că în absența vitezei, ecuația Bernoulli devine o formulă hidrostatică. Schimbarea vitezei, conform celei de-a doua legi a lui Newton, are loc sub acțiunea unei forțe care acționează asupra lichidului, în acest caz gravitatea sau diferența de presiune care acționează asupra volumului lichidului care curge.
În ecuația Bernoulli există doi termeni:
# 961; # 965; 2/2 este energia cinetică pe unitatea de volum a fluidului în mișcare și Gh este energia potențială pe unitatea de volum a fluidului,
exact ca în ecuația de conservare a energiei pentru un punct material. Specificitatea se manifestă o presiune hidromecanică în prezența p - căderea de presiune în diferite părți ale tubului de curgere face ca lichidul să se deplaseze la accelerație și de aceea, în plus față de formula Bernoulli, energiile cinetice și potențiale pe unitatea de volum de lichid prezent și sânge presiune încă.
Prin urmare, în cazul în care conducta (sau flux de tub) este dispus astfel încât presiunea în ea rămâne constantă, ecuația Bernoulli pentru fluidul doar coincide cu legea conservării energiei la punctul de material. În cazul în care tubul este proiectat astfel încât să nu se poate lua în considerare modificarea înălțimii h (datorită densității scăzute a substanței sau o mică schimbare în această înălțime), în conformitate cu ecuația de continuitate viteza în secțiunile înguste ale crește conducte - prin urmare, presiunea este să cadă. Acesta este un rezultat natural, deoarece creșterea vitezei (accelerației) poate fi asigurată numai de scăderea presiunii și în locul unde viteza este mare, presiunea ar trebui să fie mică.
Ecuația Bernoulli explică pur și simplu multe fenomene considerate în cursul "teoriei navei". De exemplu, o aripă care curge în jurul unui flux uniform de apă, chiar și în absența unui unghi de atac, are o forță de ridicare. Pe navele care parcurg un drum paralel prea aproape unul de celălalt, acționează forța hidrodinamică, împingându-le una spre cealaltă. Debiturile ridicate ale fluidului create de rotația rapidă a elicei navei cauzează cavitație. capabil să distrugă lamele sale. Principiul de funcționare al decalajului se bazează, de asemenea, pe ecuația Bernoulli, care face posibilă măsurarea vitezei unui fluid.