Силы, действующие на жидкость

Общая характеристика жидкости

Жидкостью называется физическое тело, обладающее текучестью и принимающее форму сосуда, в котором оно находится. Текучесть – основной внешний признак жидкости. Жидкости делят на два вида: капельные и газообразные.

Капельныежидкости (способные образовывать капли) характеризуются большим сопротивлением сжатию (почти полной несжимаемостью) и малым сопротивлением растягивающим и касательным усилиям. Это свойство обусловлено незначительностью сил сцепления и сил трения между частицами жидкости. К капельным жидкостям относятся вода, спирт, керосин, бензин, ртуть, нефть и т.д.

Газообразные жидкости (газы) обладают большой сжимаемостью, не оказывают сопротивления ни растягивающим, ни касательным усилиям и имеют малую вязкость.

В дальнейшем будем применять термин «жидкость» для капельных жидкостей, специально рассматривая случаи газов.

Системы единиц измерения

Для изучения механических величин в основном применяются 3 системы единиц измерения: физическая СГС, техническая МКГСС и международная система СИ.

В физической системе за основные единицы приняты: длины – 1 сантиметр; массы – 1 грамм и времени 1 секунда.

В технической системе за основные приняты единицы: длина –1 метр; силы –1 килограмм-сила (1 кгс или сокращено 1 кг) и времени – 1 с. При этом килограмм-сила (1кг) в технической системе представляет собой силу, способную сообщить килограмму массы (1 кг) ускорение свободного падения g = 9,81 м/с².

В системе СИ основными единицами являются: единица длины – 1 метр (1 м); единица массы – 1 килограмм (1кг); единица времени – 1 секунда (1 с).

В этой системе за единицу силы, являющейся производной величиной, принят 1 ньютон (1 Н) – сила, сообщающая одному килограмму массы ускорение 1 м/с². Полезно иметь в виду, что 1 кг = 9,807 Н; 1 Н = 0,102 кГ.

Силы, действующие на жидкость

Вследствие текучести (подвижности частиц) в жидкости действуют силы не сосредоточенные, а непрерывно распределенные по ее объему или по поверхности. Эти силы, действующие на жидкость и являющиеся по отношению к ней внешними, делят на массовые (объемные) и поверхностные.

Массовыесилы пропорциональны массе жидкости или газа (для однородной жидкости пропорциональны ее объему). К массовым силам относятся сила тяжести, центробежная сила и т.д. Массовые силы действуют на каждую частицу жидкости и характеризуются ускорениями. Например, сила тяжести является наиболее распространенной массовой силой, характеризуется ускорением силы тяжести g = 9,81 м/с².

Поверхностныесилы непрерывно распределены по поверхности жидкости. Они обусловлены непосредственным воздействием соседних объемов на данный или же воздействием других тел (твердых или газообразных), граничащих с данной жидкостью. С такими же силами, но в противоположном направлении, жидкость действует на соседние с ней тела.

Можно представить, как в общем случае поверхностная сила ΔR - действующая на площадку и направленная под углом к ней, может быть разложена на нормальную (перпендикулярную к поверхности) и касательную составляющие. Первая называется силой давления, а вторая – силой трения. Обычно в гидравлике массовые силы рассматривают отнесенными к единице массы, а поверхностные – к единице площади. Так как массовая сила равна произведению массы на ускорение, то, разделив ее на массу, получим массовую силу, отнесенную к единице массы. Результатом будет единичная массовая сила, численно равная соответствующему ускорению.

Единичная поверхностная сила (вся поверхностная сила, деленная на площадь), называется напряжением поверхностной силы и раскладывается на нормальное и касательное напряжения. Нормальное напряжение, т.е. напряжение силы давления, называется гидродинамическим давлением (в случае покоя – гидростатическим давлением) или просто давлением, обозначается буквой p и направлено по внутренней нормали, т.е. является сжимающим. Если сила давления равномерно распределена по площадке , то среднее давление определяется по формуле

. (4.1)

Следовательно, давление – это сила, которая действует на единицу площади и направлена по нормали.