Основные свойства жидкостей

Жидкостью называется сплошная среда, легко изменяющая свою форму под воздействием даже весьма незначительных сил.

Идеальная жидкость – жидкость, абсолютно несопротивляющаяся сдвигу и разрыву (т.е. обладающая абсолютной текучестью и полным отсутст- вием сил сцепления между частицами) и абсолютно сопротивляющаяся сжа- тию (т.е. абсолютно несжимаема).

Реальные жидкости, как правило, близки к идеальным, в смысле несжи- маемости: нужны очень высокие давления (сотни или тысячи атмосфер), чтобы сжимаемость реальной жидкости стала заметной.

Наиболее характерное свойство жидкости – текучесть. Текучесть – это легкоподвижность частиц жидкости, обуславливаемая неспособностью её вос- принимать касательные напряжения в состояние покоя. Жидкость не может со- хранять собственную форму, она принимает форму сосуда, в котором находится. Различают жидкости сжимаемые и несжимаемые. Сжимаемыми жидко- стями являются воздух и другие газы. К несжимаемым обычно относят так на- зываемые капельные жидкости – вода, нефть, смазочные масла и т.д. Капель- ная жидкость имеет собственный объём, например, 1 м 3 воды занимает опреде- лённый объём в резервуаре любой формы, а сжимаемая жидкость, не имеющая собственного объёма, занимает весь объём замкнутого резервуара, в  который

она помещена.

Далее рассмотрим некоторые важные физические характеристики жидко- сти. Плотность r и удельный объём n. Масса, содержащаяся в единице объёма V, называется плотностью тела: r = m /V , кг/м 3 . Величина, обратная плотности и представляющая собой объём, занимаемый единицей массы, называется удельным объёмом: n = V /m , м 3 /кг. Удельный вес жидкости g, представляет собой отношение силы тяжести жидкости G к её объёму V. Так как удельный вес и плотность представляют отношение силы тяжести и массы к одному и то- му же объёму, то связь между ними выражается следующим образом: g = r×g , Н/м 3 . Вязкостью называется свойство жидкостей сопротивляться относитель- ному движению её частиц, обуславливающее появление силы внутреннего тре- ния между слоями жидкости, если последние имеют различные скорости дви- жения.

Отношение динамической вязкости к плотности называется кинематиче- ской вязкостью жидкости: n = m / r , м 2 /с.

Силы, действующие в жидкости. В жидкости действуют массовые и поверхностные силы. Массовыми называют силы, действующие на каждый элемент жидкой среды и пропорциональные его массе. К массовым силам отно- сится сила тяжести (вес): G = mg . Поверхностными называют силы, дейст- вующие на поверхность и пропорциональные ее площади. Различают нор- мальные и тангенциальные поверхностные силы. Первые действуют нор- мально к поверхности – это силы давления (сжатия). При движении жидкости

вдоль её поверхности (тангенциально) действуют силы сдвига (в гидравлике –

силы трения).

 

 

ГИДРОСТАТИКА

Гидростатическое давление и его свойства

Рассмотрим произвольный объем жидкости (рис. 1), находящийся в рав- новесии под действием внешних сил. Рассечём этот объем какой-либо плоско- стью и мысленно отбросим одну из образовавшихся частей. Для сохранения ус- ловий равновесия ее действие на оставшуюся часть заменим какой-то рав- нодействующей силой F. Если на секущей плоскости S выделить элементарную площадку DS, то на нее будет действовать часть равнодействующей силы DF. При уменьшении площади DSдо нуля, предел отношения DР/DSназывается гидростатическим давлением р в данной точке жидкости:

 

D F

D S

р = lim

D S ® 0

 

или

dF

р =

dS .                          (1)

 

F

S

FСА

DF

 

 

DS

А

 

а)                                                              б)

 

 

Рис.1. К определению гидростатического дав- ления

Рис.2. К доказательству свойства гидростатического давления:

а) призма с приложенными силами; б) треугольник равнодействующих сил

 

ми:

Гидростатическое давление характеризуется тремя основными свойства-

 

 

1. Гидростатическое давление направлено нормально к поверхности, на

которую оно действует, и создает только сжимающие напряжения. Действи- тельно, в жидкости практически не возникают растягивающие напряжения, а если она находится в покое, то в ней нет и касательных напряжений. Последние возникают только при движении жидкости, поэтому в рассматриваемом случае давление может быть только нормальным к площадке и создавать только сжи- мающие напряжения.

2. В любой точке жидкости гидростатическое давление одинаково по всем направлениям. Для доказательства этого свойства выделим в рассматри- ваемом объеме жидкости призму с основанием в виде треугольника АВС (рис. 2а) и заменим действие объема жидкости вне призмы на ее боковые грани соот- ветствующими силами. Так как призма находится в равновесии, то многоуголь- ник (в данном случае треугольник) этих сил будет замкнут (рис. 2б). Треуголь- ник сил подобен треугольнику АВС и из закона подобия следует, что

 

F АВ

АВ

= F ВС

ВС

= F СА  .                                                      (2)

СА

Разделим все члены этого равенства на длину призмы Dl :

F АВ

АВ × Dl

= F ВС

ВС × Dl

= F СА

СА × Dl

.                                       (3)

 

Произведения в знаменателях этого выражения представляют площади соответствующих граней призмы. Если размеры АВ, ВС, СА и Dlбудут стре- миться к нулю, то в соответствии с выражением (1) получим

 

FАВ = FВС = FСА = р.                                               (4)

 

Так как направления граней призмы были приняты произвольно, то сле- дует считать доказанным положение о равенстве давления в одной точке по всем направлениям.

3. С учетом выше изложенного гидростатическое давление в точке зави- сит только от ее положения в пространстве, т. е,

 

р = f ( x , y , z ).

Давление измеряется в паскалях (Па), килопаскалях (кПа),  мегапаскалях

(МПа).