Жидкость

ВВЕДЕНИЕ

Предмет гидравлики

Гидравликой называется наука, изучающая законы равновесия и движения жидкостей. Гидравлика делится на две части: гидростатику и гидродинамику. Гидростатика изучает законы равновесия жидкостей, гидродинамика - законы движения жидкостей.

Гидравлика имеет большое практическое значение. Такие вопросы, как расчеты водопроводов и водостоков, определение отверстий мостов и плотин, расчеты водяного отопления, использование подземных вод или, наоборот, борьба с ними, и многие другие для правильного решения требуют основательного знания гидравлики.

Кроме гидравлики, законы равновесия и движения жидкостей изучает еще другая наука - гидромеханика. В отличие от гидравлики гидромеханика в своих решениях исходит из общих уравнений механики, а поэтому ее выводы отличаются общностью и точностью. К сожалению, эти выводы заключены в дифференциальных уравнениях с частными производными, решение которых даже в простых случаях движения жидкости затруднительно. В результате решение большей части задач по этому методу при современном состоянии науки оказывается невозможным. Между тем практика постоянно ставит задачи, требующие немедленного, хотя бы и неполного (в смысле общности и точности) решения. Эта необходимость в решении многих задач, касающихся движения жидкостей, побуждала ученых искать иного пути. Путь опыта оказался весьма плодотворным. Опыт, произведенный в условиях, требуе­мых той или другой задачей, давал непосредственное ре­шение вопроса, хотя не всегда точное и общее.

В гидравлике главную роль играет опыт, дающий ос­нову для теоретических исследований; опыт же, проверяя выводы этих исследований, решает вопрос и о правильно­сти последних.

Из изложенного выше видно различие между гидравли­кой и гидромеханикой. В гидравлике метод исследова­ния - опыт; результаты исследования - решение мно­гих вопросов практического значения при отсутствии общ­ности и строгой точности выводов. В гидромеханике метод исследования - теоретический на основании уравнений механики; результаты исследований - решение сравни­тельно небольшого числа вопросов при общности и точ­ности выводов.

Вполне понятно, что с развитием гидромеханики, когда ею будут решены все практические задачи, вместо двух наук, гидравлики и гидромеханики, будет одна наука - механика жидкости.

Жидкость

Как известно, различают твердые, жидкие и газообразные тела, а также плазму. При изменении давления или температуры жидкое тело может пере­ходить в твердое или газообразное. Например, при очень высоких давлениях в обычной воде образуются кристаллы льда; наоборот, при снижении давле­ния в жидкости могут появиться пузырьки, заполненные паром (газом).

Жидкость есть физическое тело, обладающее двумя особыми свойствами:

1) она весьма мало изменяет свой объем при изменении давления или температуры; в этом отношении жидкость сходна с твердым телом;

2) она обладает текучестью, благодаря чему жидкость не имеет собственной формы и принимает форму того сосуда, в котором она находится; в этом отношении жидкость отличается от твердого тела и является сходной
с газом.

Рис. 1.

С тем чтобы пояснить свойство текучести жидкого тела, покажем на рис. 1 твердое тело Т. В этом теле под действием, например, собственного веса должны возникнуть соответствующие напряжения. Если наметить произвольное сечение тп данного тела, то в этом сечении, так же как и в любом другом сечении, (исключая, разумеется, сечения, совпадающие с траекториями главных напряжений), помимо нормальных напряжений σ будут возникать еще касательные напряжения τ, т. е. на­пряжения, действующие вдоль намеченного сечения (касательно к нему).

Представим себе далее, что тело Т, находясь в покое, приобрело такое состояние своего вещества, при котором оно оказывается неспособным вос­принимать касательные напряжения, вызываемые, например, собственным весом. При этом очевидно, тело Т под действием собственного веса начнет растекаться и в конечном счете примет форму сосуда ABCD.

Как видно, текучесть рассматриваемого тела обусловливается тем, что оно в покоящемся состоянии не способно сопротивляться внутренним касательным усилиям, т. е. усилиям, действующим вдоль поверхностей сдвига.

Можно сказать, что свойство текучести заключается в том, что жидкость, в отличие от твердого тела, находясь в покое, не может иметь касательных напряжений, и именно поэтому она принимает форму сосуда, в котором заключена.

Поскольку газ также обладает свойством текучести, то многие теорети­ческие положения, разработанные применительно к жидкому телу, могут быть распространены и на случай газообразных тел. Однако в нашем курсе гидравлики вопрос о газе рассматривать не будем. Этому вопросу посвящается особая дисциплина, называемая «Аэромеханикой» («Механикой газа»).

Говоря далее только о жидкости, как пример ее, часто будем иметь в виду воду, которая характеризуется двумя упомянутыми свойствами (малой сжимаемостью и текучестью). Надо сказать, что в природе встречаются так называемые аномальные жидкости (краски, некоторые смазочные масла, суспензии и т. п.), которые в покоящемся состоянии могут иметь касательные напряжения.