Гидростатическое давление и его свойства.

Гидростатика - раздел гидравлики, изучающий законы равно­весия жидкостей и их инженерные приложения. Для изучения законов гидростатики необходимо знать силы, действующие на некоторый объем покоя­щейся жидкости (см.главу 1).

Нормальное напряжение, т. е. напряжение силы давления, называется гидромеханическим (в случае покоя – гидростатическим) давлением, или просто давлением, и обозначается буквой p.

Рассмотрим какой-либо объем жидкости, находящейся в равно­весии (рис. 2.1). Если этот объем рассечь некоторой плоскостью на две части и мысленно отбросить верхнюю часть, то для сохранения равновесия нижней части необходимо к плоскости приложить силы, эквивалентные действию верх­ней отброшенной части на нижнюю. Пусть на площадку ΔS действует сила ΔР, представляющая собой равнодействующую всех приложенных к различным точкам этой площадки сил, обусловленных воздействием отброшенной части объема жидкости на площадку ΔS.

Тогда отношение p_ср=ΔP/ΔS представляет собой среднее гидростатическое давление на площадку ΔS, т. е. среднее гидростатическое давление есть отношение поверхностной силы, действующей на некоторую поверхность рас­сматриваемого объема жидкости, к площади этой поверхности.

Рис.2.1. Гидростатическое давление

Если плоскость расположена горизонтально, параллельно свободной поверхности жидкости, то в любой точке этой плоскости среднее гидростатическое давление одинаково. Но если плоскость расположена наклонно или вертикально, то в разных точках ее гидростатическое давление будет различно, находясь в зависимости от глубины погружения их под свободную поверхность жидкости. В связи с этим кроме среднего гидростатического давления вводиться понятие гидростатического давления в данной точке. Разница меж­ду истинным давлением в точке и средним давлением в пределах площадки ΔS будет тем меньше, чем меньше эта площадка.

Если уменьшать площадку ΔS, то будет уменьшаться и ΔP, но в пределе отношение ΔP к ΔS будет конечной величиной и пред­ставит гидростатическое давление в точке, т. е.

Таким образом, гидростатическим давлением в точке называется предел отношения силы давления к площади, на которую она дей­ствует, при стремлении этой площади к нулю, т. е. при стягива­нии площадки в точку.

Как массовые, так и поверхностные силы в гидромеханике рассматривают в виде единичных сил, т.е. сил, отнесённых к соответствующим единицам. Массовые силы относят к единице массы, а поверхностные – к единице площади.

Так как массовая сила равна произведению массы на ускорение, следовательно, единичная массовая сила численно равна соответствующему ускорению.

Гидростатическое давление измеряется в единицах силы, делен­ных на единицу площади, т. е.:

[р] = [P/S]=Н/м².

За единицу давления в системе СИ принято равномерно распре­деленное давление, при котором на площадь 1 м² действует сила 1 Н; эта единица называется паскалем (Па). Наряду с этой единицей давления применяют следующие укрупненные единицы: декапа­скаль (даПа), килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа). Причем:

1 Па = 10^-1 даПа = 10^-3 кПа = 10^-6 МПа.

На практике широко используется также внесистемная едини­ца - техническая атмосфера (ат), равная 0,1 МПа.

Рис. 2.2. Гидростатическое давление

Гидростатическое давление обладает двумя важными свойст­вами.

1. На поверхности жидкости гидростатическое давление всегда направлено по нормали внутрь рассматриваемого объема жидкости (рис.2.2, стр. 58).

2. В любой точке внутри жидкости гидростатическое давление по всем направлениям одинаково, т. е. давление не зависит от угла наклона площадки, на которую оно действует в данной точке.

Касательное напряжение в жидкости, т. е. напряжение трения, обозначается буквой τ и выражается подобно давлению пределом

, (2.1)

а размерность его та же, что и размерность давления.

Для жидкостей, находящихся в равновесии, давление аналогично напряжению сжатия в твёрдых телах.