Давление в жидкости и газах. Давление

Открытый прямоугольный резервуар заполнен жидкостью (рис.1) до глубины Н. Найти абсолютное и избыточное давление на дне резервуара. Данные для расчета приведены в табл.1.

Закрытый прямоугольный резервуар заполнен жидкостью до глубины Н (рис.2). Задаются плотность жидкости ρ, избыточное давление на поверхности p 0 (см. табл.2). Определить пьезометрическую высоту h p и построить эпюру избыточного давления на стенку, указанную в таблице 2.

Плотность, кг/м 3

Плотность, кг/м 3

Плотность, кг/м 3

Вариант 1

Вертикальноерасстояние между горизонтальными осями резервуаров, заполненных водой, а= 4 м, при этом манометрическое давление на оси правого. резервуара p 2 = 200 кПа. Разность уровней ртути h =100 см. Уровень ртути в левом колене рас­положен ниже оси левого резервуара на Н = 6 м.

Определить манометрическое гидростатическое давление p 1 на оси левого резервуара, а также уверхней образующейего, если диаметр резервуара d = 2 м.

Вариант 2

Ртутныйманометр присоединен к резервуару, заполненному водой.

I) Определить избыточное давление на поверх­ности воды в резервуаре p 0 , если h 1 = 15 см, h 2 = 35 см. 2) Определить величину вакуума над поверхностью воды, если уровни ртути в обоих коле­нах манометра выровняются? Плотность ртути ρ рт = 13600 кг/м 3 .

Вариант 3

К закрытому резервуару, наполненному водой на глубину Н = 10 м, присоединен ртутный мано­метр. Разность уровней ртути в манометре состав­ляет h =100 см, при этом свободная поверхность воды в резервуаре превышает уровень ртути в левом колене на величину Н = 12 м. Атмосферное давление p a = 100 кПа.

I. Определить абсолютное давление воздуха p 0 в пространстве над свобод­ной поверхностью воды в резервуаре. 2. Найти абсолютное гидростатическое давление в самой низ­кой точке дна резервуара.

Вариант 4

В закрытом резервуаре находится вода с глубиною Н = 5 м, на свободной поверхности которой манометрическое давление p 0 = 147,15 кПа.К ре­зервуару на глубине h = 3 мприсоединен пье­зометр, т.е. трубка, открытаясверху и сообщаю­щаяся с атмосферой.

1. Определить пьезометрическую высоту h p .

2. Найти величину манометрического гидростатического давления на дне сосуда.

Вариант 5

В дифференциальном манометре, присоединен­ном к закрытомурезервуару, разность уровнейртути составляет h = 30 см.Открытое правое колено манометра сообщается с атмосферой, дав­ление которой равно p a =100 кПа. Уровень рту­ти в левом колене манометра находится в горизон­тальной плоскости, совпадающей с дном резервуа­ра.

1) Найтиабсолютное давление воздуха и ва­куум в пространстве над свободной поверхностью воды в резервуаре.

2) Определить абсолютное гид­ростатическое давление на дне резервуара. Глуби­на воды в резервуаре Н = 3,5 м.

Вариант 6

К закрытому резервуару с горизонтальным дном присоединен пьезометр. Атмосферное давление на поверхности воды в пьезометре р а =100 кПа. Глубина воды в резервуаре h =2 м, высота воды в пьезометре Н = 18 м. Определить абсолютное давление на поверхности воды в резервуаре и аб­солютное и избыточное давление на дне.

Вариант 7

Точка А заглублена под горизонтомводы в сосуде на величину h = 2,5 м, пьезометрическая высота для этой точки равна h Р = 1,4 м.

Определить для точки А величину абсолютного давления, а такжевеличинувакуума на поверхности воды в сосуде, если атмосферное давление p a = 100 кПа.

Вариант 8

К закрытому сосуду подведены две трубки, как показано на чертеже. Левая трубка опущена в банку с водой, правая заполнена ртутью.

Определить абсолютное давление воздуха p 0 на поверхности жидкости в сосуде и высоту, стол­ба ртути h 2 , если высота столба воды h 1 =3,4 м, а атмосферное давление р a = 100 кПа. Плотность ртути ρ рт = 13600 кг/м 3 .

Вариант 9

Два закрытых резервуара, горизонтальные днища которых расположены в одной плоскости, соединены дифференциальным манометром, разность уровней ртути в нём h =100 см, при этом уровень ртути в левом колене совпадает с плос­костью дна резервуара. В левом резервуаре нахо­дится вода с глубиной H 1 = 10 м. В правом содер­жится масло с глубиной H 2 = 8 м. Плотность мас­ла ρ м = 800 кг/м 3 , плотность ртути ρ рт = 13600 кг/м 3 .На поверхностиводы манометрическое давление p 1 = 196 кН/м 2 . Найти манометрическое давление на поверхности масла p 0 . Определить манометрическое давление на дне каждого резервуара.

Вариант 10

Горизонтально расположенные круглые резервуары заполнены водой. Диаметркаждого резервуа­ра Д =2 м. Разность уровней ртути в манометре h = 80 см. Манометрическое гидростатическое давление p 1 на оси левого резервуара равно 98,1 кПа. Ось правого резервуара находится ниже оси левого на z = 3 м/

Определить манометрическое гидростатическое давление p 2 , на оси правого резервуара, а так­же на нижней его образующей – в точке А.

Вариант 11

Определить разность давлений в точках, на­ходящихся на осях цилиндров Аи В, заполненных водой, если разность уровнейртути в дифферен­циальномманометре Δh = 25 см, разность уровней осей цилиндров Н = 1 м.

Вариант 12

Закрытая сверху трубка опущена открытым концом в сосуд с водой. На свободной поверхности воды в трубке абсолютное давление р 0 =20 кПа. Атмосферное давлениер а =100 кПа.Определить высоту поднятия воды в трубке h.

Вариант 13

В закрытом резервуаре с горизонтальным дномсодержится нефть. Глубина нефти Н=8 м. Найтиманометрическое и абсолютное давление на дне ре­зервуара, если манометрическоедавление над сво­бодно л поверхностью нефти равно p 0 = 40 кПа, Плотность нефтиρ н = 0,8 г/см 3 . Атмосферноедавление р а = 100 кПа.

Вариант 14

Абсолютное давление наповерхности водыв сосуде р 0 = 147 кПа.

Определить абсолютное давление и манометри­ческое давление в точке А, находящейся из глу­бине h = 4,8 м, найти такжепьезометрическую; высоту h p для этой точки. Атмосферное давлениер а = 100 кПа.

Вариант 15

Определить избыточное поверхностное давле­ние р 0 в закрытом сосуде с водой, если в трубке открытого манометре ртуть поднялась на в высоту h = 50 см. Поверхность воды находится на вы­соте h 1 = 100 см от нижнего уровня ртути. Плотность ртути ρ рт = 13600 кг/м 3 .

Вариант 16

Два закрытых резервуара, оси которых нахо­дятся в одной горизонтальной плоскости, запол­нены водой и соединены П-образной трубкой.

Уровни воды в левом и правом коленах соот­ветственно равны, z л = 1,5 м, z п = 0,5 м.

Верхняя часть трубки заполнена маслом, плотность которого ρ м = 800 кг/м 3 . Манометри­ческое давление на оси левого резервуара р л = 78,5 кПа. Определить манометрическое дав­ление на оси правого резервуара и на линии раз­дела воды и масла в левой трубке.

Вариант 17

В закрытом резервуаре находится вода с глу­биной Н = 2м, на свободной поверхности которой давление равно р 0 . В присоединенном к резервуару дифференциальном манометре разность уровней сос­тавляет h = 46 см. Уровень ртути в левом колене совпадает с дном резервуара. Определить абсолютное давление р 0 и абсолютное гидростатическое давление на дне резервуара, если атмосферное давление р а = 100 кПа.

Вариант 18

Водосливное отверстие плотины, удерживающей воду в водохранилище, закрыто сегментным затвором АЕ кругового очертания радиусом r = 2 м. Определить абсолютное гидростатическое давление в нижней точке затвора Е (р Е,абс ) и найти высоту плотины h , если избыточное давление на дне водохранилища р д,и = 75 кПа. Атмосферное давление р а =101 кПа.

Вариант 19

Определить разность уровней ртути h в соединительной трубке сообщающихся сосудов, если давление на поверхности воды в левом сосуде р 1 = 157 кПа. Возвышение уровня воды над нижним уровнем ртути Н = 5 м. Разность уровней воды и масла Δh = 0,8 м. р 2 = 117 кПа. Плотность масла ρ м = 800 кг/м 3 . Плотность ртути ρ рт = 13600 кг/м 3 .

Вариант 20

Два резервуара круглого сечения, расположен­ные на одном уровне, заполнены водой. Диаметр каждого резервуара D = 3 м. Разность уровней ртути h = 40 см. Гидростатическое давление на оси первого резервуара р 1 = 117 кПа. Опреде­лить гидростатическое давление на оси второго резервуара р 2 , а также в нижнейего точке. Плотность ртути ρ рт = 13600 кг/м 3 .

Вариант 21

В резервуаре находится вода. Горизонтальная часть внутренней стенки резервуара ВС расположена на глубине h = 5 м. Глубина воды в резервуаре Н = 10 м. Атмосферное давление р а = 100 кПа.

Найти манометрическое гидростатическое давление в точках В и С, построить эпюру этого давления на стенку АВСД и определить абсолютное гидростатическое давление на дно резервуара.

Вариант 22

Разность уровней воды в закрытых резервуарах, сообщающихся между собой, составляет h = 4 м. В левом резервуаре глубина воды H = 10 м и абсолютное давление на свободной поверхности воды p 1 = 300 кПа.

Найти абсолютное давление воздуха р 2 на свободной поверхности воды в правом резервуаре и на дне резервуаров.

Вариант 23

В закрытом резервуаре содержится минеральное масло, имеющее плотность ρ = 800 кг/м 3 . Над свободной поверхностью масла избыточное давление воздуха р ои = 200 кПа. К боковой стенке резервуара присоединен манометр, показанный на чертеже. Вычислить:

1. Избыточное давление на дно резервуара и

2. Показание манометра

Вариант 24

Вакуумметр В, присоединенный к резервуару выше уровня воды, показывает вакуумметрическое давление р вак = 40 кПа. Глубина воды в резервуаре Н = 4 м. С правой стороны к резервуару выше уровня воды присоединен жидкостный ртутный вакуумметр.

Вычислить:

абсолютное давление воздуха в резервуаре р абс,

высоту поднятия воды в жидкостном вакуумметре h,

абсолютное давление на дно резервуара р дабс,

Атмосферное давлении р а = 98,06 кПа. Плотность ртути ρ рт = 13600 кг/м 3 .

Вариант 25

Разность уровней воды в резервуарах h= 15 м. Глубина воды в левом резервуаре Н = 8 н.

Вычислить

манометрическое давление воздуха над поверхностью воды в закрытом левом резервуаре р о,

избыточное давление на дно левого резервуара р ди,

построить эпюру избыточного давления на левую вертикальную стенку закрытого резервуара.

Вариант 26

В закрытом резервуаре находятся три разные жидкости: минеральное масло с плотностью ρ м = 800 кг/м 3 вода и ртуть с плотностью ρ рт = 13600 кг/м 3 . Уровень ртути в пьезометре на 0,15 м выше, чем в резервуаре (h 3 = 0,15 м). Атмосферное давление р а = 101 кПа. Вычислить:

1. Абсолютное давление воздуха под крышкой резервуара;

2. Вакуумметрическое давление под крышкой резервуара если h 1 = 2 м, h 2 = 3 м.

Вариант 27

В герметично закрытом резервуаре находится минеральное масло с плотностью ρ м = 800 кг/м 3 . Глубина масла h 1 = 4 м. К стенке резервуара выше уровня масла присоединен ртутный манометр, в котором разность уровней ртути h 2 = 20 см. Атмосферное давление р а = 101 кПа. Уровень ртути в левом колене манометра и уровень масла в резервуаре находятся на одной отметке.

Определить абсолютное давление воздуха под крышкой резервуара (р о,абс ) и манометрическое давление масла на дне резервуара (р д, м )

Вариант 28

В герметично закрытом баке находится вода. К боковой стенке бака на глубине h = 1,2 м подсоединен механический манометр, который показывает гидростатическое давление р м = 4 атм. Определить абсолютное давление на свободной поверхности воды в баке р о,абс и величину давления, которую показывает манометр, установленный на крышке бака. Атмосферное давление равно 101 кПа.

Вариант 29

Два бака с водой разделены вертикальной стенкой, в нижней части которой имеется отверстие. Левый бак открытый. Правый бак закрыт герметичной крышкой. Глубина воды в левом баке h 1 = 8 м. Глубина воды в правом баке h 2 = 1 м.

Атмосферное давление р а =101 кПа.

Определить избыточное гидростатическое давление воздуха под крышкой правого бака и абсолютное давление на дне правого бака.

Вариант 30

Два герметично закрытых резервуара с водой соединены ртутным манометром. Манометрическое давление воздуха над поверхностью воды в левом резервуара р л, м = 42 кПа. Абсолютное давление воздуха над поверхностью воды в правом резервуара р п, абс =116 кПа. Глубина воды над уровнем ртути в левом резервуара h 1 = 4 м. Глубина воды над уровнем ртути в правом резервуара h 3 = 2,5 м. Атмосферное давление р а =101 кПа. Определить разность уровней ртути в манометре h 2 .

ЗАДАНИЯ

К выполнению расчетно – графической работы

По дисциплине «Гидравлика»

Тема: гидростатика

Северодвинск

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Гидравлика, или техническая механика жидкостей- это наука о законах равновесия и движения жидкостей, о способах применения этих законов к решению практических задач;

Жидкостью называют вещество, находящееся в таком агрегатном состоянии, которое сочетает в себе черты твердого состояния (весьма малая сжимаемость) и газообразного (текучесть). Законы равновесия и движения капельных жид­костей в известных пределах можно применять и к газам.

На жидкость могут действовать силы, распределенные по ее массе (объему), называемые массовыми , и по поверхности, называемые поверхностными . К первым относятся силы тя­жести и инерции, ко вторым - силы давления и трения.

Давлением называется отношение силы, нормальной к по­верхности, к площади. При равномерном распределении

Касательным напряжением называется отношение силы трения, касательной к поверхности, к площади:

Если давление р отсчитывают от абсолютного нуля, то его называют абсолютным (р абс), а если от условного нуля (т. е. сравнивают с атмосферным давлением р а, то избыточным (р изб):

Если Р абс < Р а, то имеется вакуум, величина которого:

Р вак = Р а - Р абс

Основной физической характеристикой жидкости является плотность ρ (кг/м 3), определяемая для однородной жидкости отношением ее массы m к объему V:

Плотность пресной воды при температуре Т = 4°С ρ = = 1000 кг/м 3 . В гидравлике часто пользуются также понятием удельного веса γ (Н/м 3), т.е весом G единицы объема жидкости:

Плотность и удельный вес связаны между собой соотношением:

где g - ускорение свободного падения.

Для пресной воды γ вод = 9810 Н/м 3

Важнейшие физические параметры жидкостей, которые используются в гидравлических расчетах,- сжимаемость, температурное расширение, вязкость и испаряемость.

Сжимаемость жидкостей характеризуется модулем объемной упругости К, входящим в обобщенный закон Гука:

где ΔV - приращение (в данном случае уменьшение) объема жидкости V, обусловленное увеличением давления на Δр. Например, для воды К вод ≈2 . 10 3 МПа.

Температурное расширение определяется соответствующим коэффициентом, равным относительному изменению объема, при изменении температуры на 1 °С:

Вязкость - это способность жидкости сопротивляться сдвигу. Различают динамическую (μ) и кинематическую (ν) вязкости. Первая входит в закон жидкостного трения Ньютона, выражающий касательное напряжение τ через поперечный градиент скорости dv/dt:

Кинематическая вязкость связана с динамической соотношением

Единицей кинематической вязкости является м 2 /с.

Испаряемость жидкостей характеризуется давлением насыщенных паров в функции температуры.

Давлением насыщенных паров можно считать то абсолютное давление, при котором жидкость закипает при данной температуре. Следовательно, минимальное абсолютное давление, при котором вещество находится в жидком состоянии, равно давлению насыщенных паров р н.п .

Основные параметры некоторых жидкостей, их единицы в СИ и внесистемные единицы, временно допускаемые к применению, приведены в Приложениях 1...3.

ГИДРОСТАТИКА

Давление в неподвижной жидкости называется гидростатическим и обладает следующими двумя свойствами:

На внешней поверхности жидкости оно всегда направлено во нормали внутрь объема жидкости;

В любой точке внутри жидкости оно по всем направлениям одинаково, т. е. не зависит от угла наклона площадки, по которой действует.

Уравнение, выражающее гидростатическое давление р в любой точке неподвижной жидкости в том случае, когда из числа массовых сил на нее действует лишь одна сила тяжести, называется основным уравнением гидростатики:

где p 0 - давление на какой-либо поверхности уровня жидкости, например на свободной поверхности; h - глубина расположения рассматриваемой точки, отсчитанная от поверхности с давлением р 0 .

В тех случаях, когда рассматриваемая точка расположена выше поверхности с давлением р 0 , второй член в формуле (1.1) отрицателен.

Другая форма записи того же уравнения (1.1) имеет вид

(1.2)

где z и z 0 - вертикальные координаты произвольной точки и свободной поверхности, отсчитываемые от горизонтальной плоскости вверх; p/(pg) - пьезометрическая высота.

Гидростатическое давление может быть условно выражено высотой столба жидкости p/ρg.

В гидротехнической практике внешнее давление часто равноатмосферному: P 0 =Р ат

Величина давления P ат = 1 кГ/см 2 = 9,81 . 10 4 н/м г называетсятехнической атмосферой .

Давление, равное одной технической атмосфере, эквивалентно давлению столба воды высотой 10 метров, т. е.

Гидростатическое давление, определяемое по уравнению (1.1), именуется полным или абсолютным давлением . В дальнейшем будем обозначать это давление р абс или p’. Обычно в гидротехнических расчетах интересуются не полным давлением, а разницей между полным давлением в атмосферным, т. е. так называемым манометрическим давлением

В дальнейшем изложении сохраним обозначение р за манометрическим давлением.

Рисунок 1.1

Сумма членов дает величину полного гидростатического напора

Сумма -- выражает гидростатический напор Н без учета атмосферного давления p ат /ρg, т. е.

На рис. 1.1 плоскость полного гидростатического напора и плоскость гидростатического напора показаны для случая, когда свободная поверхность находится под атмосферным давлением р 0 =p ат.

Графическое изображение величины и направления гидростатического давления, действующего на любую точку поверхности, носит название эпюры гидростатического давления. Для построения эпюры нужно отложить величину гидростатического давления для рассматриваемой точки нормально к поверхности, яа которую оно действует. Так, например, эпюра манометрического давления на плоский наклонный щит АВ (рис. 1.2,а) будет представлять треугольник ABC, а эпюра полного гидростатического давления - трапецию A"B"C"D" (рис. 1.2,б).

Рисунок 1.2

Каждый отрезок эпюры на рис. 1.2,а (например О К) будет изображать манометрическое давление в точке К, т. е. p K = ρgh K , а на рис. 1.2,б - полное гидростатическое давление

Сила давления жидкости на плоскую стенку равна произведению гидростатического давления ρ с в центре тяжести площади стенки на площадь стенки S, т. е.

Центр давления (точка приложения силы F) расположен ниже центра тяжести площади или совпадает с последним в случае горизонтальной стенки.

Расстояние между центром тяжести площади и центром давления в направлении нормали к линии пересечения плоскости стенки со свободной поверхностью жидкости равно

где J 0 - момент инерции площади стенки относительно оси, проходящей через центр тяжести площади и параллельной линии пересечения плоскости стенки со свободной поверхностью: у с - координата центра тяжести площади.

Сила давления жидкости на криволинейную стенку, симметричную относительно вертикальной плоскости, складывается из горизонтальной F Г и вертикальной F B составляющих:

Горизонтальная составляющая F Г равна силе давления жидкости на вертикальную проекцию данной стенки:

Вертикальная составляющая F B равна весу жидкости в объеме V, заключенном между данной стенкой, свободной поверхностью жидкости и вертикальной проекцирующей поверхностью, проведенной по контуру стенки.

Если избыточное давление р 0 на свободной поверхности жидкости отлично от нуля, то при расчете следует эту поверхность мысленно поднять (или опустить) на высоту (пьезометрическую высоту) p 0 /(ρg)

Плавание тел и их остойчивость. Условие плавания тела выражается равенством

G=P (1.6)

где G - вес тела;

Р - результирующая сила давления жидкости на погруженное в нее тело - архимедова сила .

Сила Р может быть найдена по формуле

P=ρgW (1.7)

где ρg - удельный вес жидкости;

W - объем жидкости, вытесненной телом, или водоизмещение.

Сила Р направлена вверх и проходит через центр тяжести водоизмещения.

Осадкой тела у называется глубина погружения наинизшей точки смоченной поверхности (рис. 1.3,а). Под осью плавания понимают линию, проходящую через центр тяжести С и центр водоизмещения D, соответствующий/ нормальному положению тела в состоянии равновесия (рис. 1.3, а)-

Ватерлинией называется линия пересечения поверхности плавающего тела со свободной поверхностью жидкости (рис. 1.3,б). Плоскостью плавания ABEF называется плоскость, полученная от пересечения тела свободной поверхностью жидкости, или, иначе плоскость, ограниченная ватерлинией.

Рисунок 1.3

Кроме выполнения условий плавания (1.5) тело (судно, баржа и т.д.) должно удовлетворять условиям остойчивости. Плавающее тело будет остойчивым в том случае, если при крене сила веса G и архимедова сила Р создают момент, стремящийся уничтожить крен и вернуть тело в исходное положение.

Рисунок 1.4

При надводном плавании тела (рис. 1.4) центр водоизмещения при малых углах крена (α<15°) перемещается по некоторой дуге, проведенной из точки пересечения линии действия силы Р с осью плавания. Эта точка называется метацентром (на рис. 1.4 точка М). Будем в дальнейшем рассматривать условия остойчивости лишь при надводном плавании тела при малых углах крена.

Если центр тяжести тела С лежит ниже центра водоизмещения, то плавание будет безусловно остойчивым (рис. 1.4,а).

Если центр тяжести тела С лежит выше центра водоизмещения D, то плавание будет остойчивым только при выполнении следующего условия (рис. 1-9,б):

где ρ - метацентрический радиус, т. е. расстояние между центром водоизмещения и метацентром

δ - расстояние между центром тяжести тела С и центром во­доизмещения D. Метацентрический радиус ρ находится по формуле:

где J 0 - момент инерции плоскости плавания или площади, ограниченной ватерлинией, относительно продольной оси (рис. 1-8,6);

W - водоизмещение.

Если центр тяжести тела С расположен выше центра водоизмещения и метацентра, то тело неостойчиво; возникающая пара сил G и Р стремится увеличить крен (рис. 1.4,в ).

УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ

При решении задач по гидростатике прежде всего нужно хорошо усвоить и не смешивать такие понятия, как давление р и сила F.

При решении задач на определение давления в той или иной точке неподвижной жидкости следует пользоваться основным уравнением гидростатики (1.1). Применяя это уравнение, нужно иметь в виду, что второй член в правой части этого уравнения может быть как положительным, так и отрицательным. Очевидно, что при увеличении глубины давление возрастает, а при подъеме - уменьшается.

Необходимо твердо различать давления абсолютное, избыточное и вакуум и обязательно знать связь между давлением, удельным весом и высотой, соответствующей этому давлению (пьезометрической высотой).

При решении задач, в которых даны поршни или системы поршней, следует писать уравнение равновесия, т. е. равенство нулю суммы всех сил, действующих на поршень (систему поршней).

Решение задач следует проводить в международной системе единиц измерения СИ.

Решение задачи должно сопровождаться необходимыми пояснениями, рисунками (принеобходимости), перечислением исходных величин (графа «дано»), переводом единиц в систему СИ.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО ГИДРОСТАТИКЕ

Задача 1. Определить полное гидростатическое давление на дно сосуда, наполненного водой. Сосуд сверху открыт, давление на свободной поверхности атмосферное. Глубина воды в сосуде h = 0,60 м.

Решение:

В данном случае имеем р 0 =р ат и потому применим формулу (1.1) в виде

р"=9,81.10 4 +9810 . 0,6 = 103986 Па

Ответ р’=103986 Па

Задача 2. Определить высоту столба воды в пьезометре над уровнем жидкости в закрытом сосуде. Вода в сосуде находитcя под абсолютным давлением p" 1 = 1,06ат (рисунок к задаче 2).

Решение .

Составим условия равновесия для общей точки А (см. рисунок). Давление в точке А слева:

Давление справа:

Приравнивая правые части уравнений, и сокращая на γg получаем:

Указанное уравнение можно также получить, составив условие равновесия для точек, расположенных в любой горизонтальной плоскости, например в плоскости ОО (см. рисунок). Примем за начало шкалы отсчета пьезометра плоскость ОО и из полученного уравнения найдем высоту столба воды в пьезометре h.

Высота h равна:

= 0,6 метра

Пьезометр измеряет величину манометрического давления, выраженного высотой столба жидкости.

Ответ: h = 0,6 метра

Задача 3. Определить высоту, на которую поднимается вода в вакуумметре, если абсолютное давление воздуха внутри баллона р’ в =0,95 ат (рис. 1-11). Сформулировать, какое давление измеряет вакуумметр.

Решение :

Составим условие равновесия относительно горизонтальной плоскости О-О:

гидростатическое давление, действующее изнутри:

Гидростатическое давление в плоскости О -О, действующее с внешней стороны,

Так как система находится в равновесии, то

Задача 4. Определить манометрическое давление в точке А трубопровода, если высота столба ртути по пьезометру h 2 =25 см. Центр трубопровода расположен на h 1 =40 см ниже линии раздела между водой и ртутью (рисунок к задаче).

Решение: Находим давление в точке В: р" В =р" А -γh 1 , так как точка В расположена выше точки А на величину h 1 . В точке С давление будет такое же, как в точке В, так как давление столба воды h взаимно уравновешивается, т. е.

отсюда манометрическое давление:

Подставляя числовые значения, получаем:

р" А -р атм =37278 Па

Ответ: р" А -р атм =37278 Па

ЗАДАЧИ

Задача 1.1. Канистра, заполненная бензином и не содержащая воздуха, нагрелась на солнце до температуры 50 °С. На сколько повысилось бы давление бензина внутри канистры, если бы она была абсолютно жесткой? Начальная температура бензина 20 0 С. Модуль объемной упругости бензина принять равным K=1300 МПа, коэффициент температурного расширения β = 8 . 10 -4 1/град.

Задача 1.2. Определить избыточное давление на дне океана, глубина которого h=10 км, приняв плотность морской воды ρ=1030 кг/м 3 и считая ее несжимаемой. Определить плотность воды на той же глубине с учетом сжимаемости и приняв модуль объемной упругости K = 2 . 10 3 МПа.

Задача 1.3. Найти закон изменения давления р атмосферного воздуха по высоте z, считая зависимость его плотности от давления изотермической. В действительности до высоты z=11 км температура воздуха падает по линейному закону, т. е. T=T 0 -β z , где β = 6,5 град/км. Определить зависимость p = f(z) с учетом действительного изменения температуры воздуха с высотой.

Задача 1.4. Определить избыточное давление воды в трубе В, если показание манометра р м = 0,025 МПа. Соединительная трубка заполнена водой и воздухом, как показано на схеме, причем Н 1 = 0,5 м; Н 2 =3 м.

Как изменится показание манометра, если при том же давлении в трубе всю соединительную трубку заполнить водой (воздух выпустить через кран К)? Высота Н 3 = 5 м.

Задача 1.5. В U-образную трубку налиты вода и бензин. Определить плотность бензина, если h б = 500 мм; h в = = 350 мм. Капиллярный эффект не учитывать.

Задача 1.6. В цилиндрический бак диаметром D = 2 м до уровня Н=1,5 м налиты вода и бензин. Уровень воды в пьезометре ниже уровня бензина на h = 300 мм. Определить веснаходящегося в баке бензина, если ρ б = 700 кг/м 3 .

Задача 1.7. Определить абсолютное давление воздуха всосуде, если показание ртутного прибора h = 368 мм, высота H=1 м. Плотность ртути ρ= 13600 кг/м 3 . Атмосферное давление 736 мм рт. ст.

Задача 1.8. Определить избыточное давление p 0 воздуха в напорном баке по показанию манометра, составленного из двух U-образных трубок с ртутью. Соединительные трубки заполнены водой. Отметки уровней даны в метрах. Какой высоты Н должен быть пьезометр для измерения того же давления p 0 Плотность ртути ρ = 13600 кг/м 3 .

Задача 1.9. Определить силу давления жидкости (воды) на крышку люка диаметром D=l м в следующих двух случаях:

1) показание манометра р м = 0,08 МПа; H 0 =1,5 м;

2) показание ртутного вакуумметра h = 73,5 мм при а= 1м ; ρ рт = 13600 кг/м 3 ; Н 0 =1,5 м.

Задача 1.10. Определить объемный модуль упругости жидкости, если под действием груза А массой 250 кг поршень прошел расстояние Δh = 5 мм. Начальная высота положения поршня (без груза) H =1,5 м, диаметры поршня d = 80 мм н резервуара D = 300 мм, высота резервуара h = 1,3 м. Весом поршня пренебречь. Резервуар считать абсолютно жестким.

Задача 1.11. Для опрессовки водой подземного трубопровода (проверки герметичности) применяется ручной поршневой насос. Определить объем воды (модуль упругости К = 2000 МПа), который нужно накачать в трубопровод для повышения избыточного давления в нем от 0 до 1,0 МПа. Считать трубопровод абсолютно жестким. Размеры трубопровода: длина L = 500 м, диаметр d=100 мм. Чему равно усилие на рукоятке насоса в последний момент опрессовки, если диаметр поршня насоса d n = 40 мм, а соотношение плеч рычажного механизма а/в = 5?

Задача 1.12 . Определить абсолютное давление воздуха в баке р 1 , еcли при атмосферном давлении, соответствующем h а = 760 мм рт. ст., показание ртутного вакуумметра h рт = = 0,2 м, высота h =1,5 м. Каково при этом показание пружинного вакуумметра? Плотность ртути ρ=13600 кг/м 3 .

Задача 1.13 . При перекрытом кране трубопровода К определить абсолютное давление в резервуаре, зарытом на глубине Н=5 м, если показание вакуумметра, установленного на высоте h=1,7 м, равно р вак = 0,02 МПа. Атмосферное давление соответствует р а = 740 мм рт. ст. Плотность бензина ρ б = 700 кг/м 3 .

Задача 1.14. Определить давление р’ 1 , если показание пьезометра h =0,4 м. Чему равно манометрическое давление?

Задача 1.15. Определить вакуум р вак и абсолютное давление внутри баллона р" в (рис. 1-11), если показание вакуумметра h =0,7 м вод. ст.

1) в баллоне и в левой трубке - вода, а в правой трубке - ртуть (ρ=13600 кг/м 3 );

2) в баллоне и левой трубке - воздух , а в правой трубке - вода.

Определить, какой процент составляет давление столба воздуха в трубке от вычисленного во втором случае манометрического давления?

При решении задачи принять h 1 = 70 см,h 2 = = 50 см.

Задача 1.17. Чему будет равна высота ртутного столба h 2 (рис. к задаче 1.16), если манометрическое давление нефти в баллоне А p а = 0,5 ат, а высота столба нефти (ρ=800 кг/м 3) h 1 =55 см?

Задача 1.18. Определить высоту столба ртути h 2 , (рисунок), если расположение центра трубопровода А повысится по сравнению с указанным на рисунке и станет на h 1 = 40 см выше линии раздела между водой и ртутью. Манометрическое давление в трубе принять 37 278 Па.

Задача 1.19. Определить, на какой высоте z установится уровень ртути в пьезометре, если при манометрическом давлении в трубе Р А =39240 Па и показании h=24 см система находится в равновесии (см. рисунок).

Задача 1.20. Определить удельный вес бруса, имеющего сле­дующие размеры: ширину b=30 см , высоту h=20 см и длину l = 100 см , если его осадка y=16 см

Задача 1.21. Кусок гранита весит в воздухе 14,72 Н и 10,01 Н в жидкости, имеющей относительный удельный вес 0,8. Определить объем куска гранита, его плотность и удельный вес.

Задача 1.22 Деревянный брус размером 5,0 х 0,30 м и высотой 0,30м спущен в воду. На какую глубину он погрузится, если от­носительный вес бруса 0,7? Определить, сколько человек могут встать на брус, чтобы верхняя поверхность бруса оказалась бы заподлицо со свободной поверхностью воды, считая, что каждый человек в среднем имеет массу 67,5 кг.

Задача 1.23 Прямоугольная металлическая баржа длиной 60 м, шириной 8 м, высотой 3,5 м, загруженная песком, весит 14126 кН. Определить осадку баржи. Какой объем песка V п нужно выгрузить, чтобы глубина погружения баржи была 1,2 м, если относительный удельный вес влажного песка равен 2,0?

Задача 1.24. Объемное водоизмещение подводной лодки 600 м 3 . С целью погружения лодки отсеки были заполнены морской водой в количестве 80 м 3 . Относительный удельный вес морской воды 1,025. Определить: какая часть объема лодки (в процентах) будет погружена в воду, если из подводной лодки удалить всю воду и она всплывет; чему равен вес подводной лодки без воды?

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ. Важнейший признак жидкости - существование свободной поверхности . Молекулы поверхностного слоя жидкости, имеющего толщину порядка 10 -9 м, находятся в ином состоянии, чем молекулы в толще жидкости. Поверхностный слой оказывает на жидкость давление, называемое молекулярным , что приводит к появлению сил, которые называются силами поверхностного натяжения .

Силы поверхностного натяжения в любой точке поверхности направлены по касательной к ней и по нормали к любому элементу линии, мысленно проведенной на поверхности жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения -физическая величина, показывающая силу поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, разделяющей поверхность жидкости на части:

С другой стороны, поверхностное натяжение можно определить как величину, численно равную свободной энергии единицы поверхностного слоя жидкости. Под свободной энергией понимают ту часть энергии системы, за счет которой может быть совершена работа при изотермическом процессе.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы жидкости. Для каждой жидкости он является функцией температуры и зависит от того, какая среда находится над свободной поверхностью жидкости.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА. Экспериментальная установка изображена на рис. 1. Она состоит из аспиратора А, соединенного с микроманометром М и сосудом В, в котором находится исследуемая жидкость. В аспиратор наливается вода. С помощью крана К аспиратор А может отсоединяться от сосуда В и присоединяться к такому же сосуду С с другой исследуемой жидкостью. Сосуды В и С плотно закрываются резиновыми пробками, имеющими по отверстию. В каждое отверстие вставляется стеклянная трубочка, конец которой представляет собой капилляр. Капилляр погружается на очень малую глубину в жидкость (так, чтобы он только касался поверхности жидкости). Микроманометр измеряет разность давления воздуха в атмосфере и аспираторе, или, что то же самое, в капилляре и сосуде В или С.

Микроманометр состоит из двух сообщающихся сосудов, один из которых представляет собой чашку большого диаметра, а другой наклонную стеклянную трубку малого диаметра (2 - 3 мм) (рис. 2). При достаточно большом отношении площадей сечений чашки и трубки можно пренебречь изменением уровня в чашке. Тогда по уровню жидкости в трубке малого диаметра можно определить измеряемую величину разности давлений:

где - плотность манометрической жидкости; - расстояние принимаемого неизменным уровня жидкости в чашке до уровня в трубке по наклону трубки; - угол, образованный наклонной трубкой с плоскостью горизонта.

В начальный момент времени, когда давление воздуха над поверхностью жидкости в капилляре и сосуде В одинаково и равно атмосферному. Уровень смачивающей жидкости в капилляре выше, чем в сосуде В, а уровень несмачивающей – ниже, так как смачивающая жидкость в капилляре образует вогнутый мениск, а несмачивающая - выпуклый.

Молекулярное давление под выпуклой поверхностью жидкости больше, а под вогнутым - меньше относительно давления под плоской поверхностью. Молекулярное давление, обусловленное кривизной поверхности, принято называть избыточным капиллярным давлением (давление Лапласа) . Избыточное давление под выпуклой поверхностью считается положительным, под вогнутой - отрицательным. Оно всегда направлено к центру кривизны сечения поверхности, т.е. в сторону ее вогнутости. В случае сферической поверхности избыточное давление можно вычислить по формуле:

где - коэффициент поверхностного натяжения, - радиус сферической поверхности.

Смачивающая капилляр жидкость поднимается до тех пор, пока гидростатическое давление столбика жидкости высотой (рис. 3а) не уравновесит избыточного давления, направленного в этом случае вверх. Высота 0 определяется из условия равновесия:

где - ускорение свободного падения, т.е.

Если, повернув кран аспиратора А, медленно выпускать из него воду, то давление воздуха в аспираторе, в соединенных с ним сосуде В и наклонном колене микроманометра начнет уменьшаться. В капилляре же над поверхностью жидкости давление равно атмосферному. В результате увеличивающейся разности давлений мениск жидкости в капилляре будет опускаться, сохраняя кривизну, пока не опустится до нижнего конца капилляра (рис. 3б). В этот момент давление воздуха в капилляре будет равно:

где - давление воздуха в сосуде В, - глубина погружения капилляра в жидкость, - давление Лапласа. Разность давлений воздуха в капилляре и сосуде В равна:

+ р = р изб + ρ g h = 2σ / r + ρ g h

С этого момента начинает меняться кривизна мениска. Давление воздуха в аспираторе и сосуде В продолжает уменьшаться. Так как разность давлений увеличивается, радиус кривизны мениска убывает, а кривизна возрастает. Наступает момент, когда радиус кривизны становится равным внутреннему радиусу капилляра (рис. 3в), а разность давлений становится максимальной. Затем радиус кривизны мениска снова увеличивается, и равновесие будет неустойчивым. Обязуется пузырек воздуха, который отрывается от капилляра и поднимается на поверхность. Жидкость затягивает отверстие. Далее все повторяется. На рис. 4 показано, как меняется радиус кривизны мениска жидкости, начиная с момента, когда он дошел до нижнего конца капилляра.

Из сказанного выше следует, что:

, (1)

где - внутренний радиус капилляра. Эту разность можно определить с помощью микроманометра, так как

где - плотность манометрической жидкости, - максимальное смещение уровня жидкости в наклонной трубке микроманометра, - угол между наклонным коленом микроманометра и горизонталью (см. рис. 2).

Из формул (1) и (2) получим:

. (3)

Так как глубина погружения капилляра в жидкость ничтожна , то ею можно пренебречь, тогда:

или , (4)

где - внутренний диаметр капилляра.

В том случае, когда жидкость не смачивает стенки капилляра, за в формуле (4) принимают внешний диаметр капилляра. В качестве манометрической жидкости в микроманометре используется вода ( = 1×10 3 кг/м 3).

ИЗМЕРЕНИЯ.

1. Налить в аспиратор воду до метки и закрыть его. Добиться равенства давлений в обоих коленах микроманометра, для чего на короткое время извлечь кран К. Установить его в такое положение, в котором он соединяет сосуд с аспиратором.

2. Открыть кран аспиратора настолько, чтобы изменение давления происходило достаточно медленно. Пузырьки воздуха должны отрываться примерно через каждые 10 - 15 с. После установления указанной частоты образования пузырьков можно проводить измерения.

ЗАДАНИЕ. 1. С помощью термометра определить и записать комнатную температуру t .

2. Девять раз определить максимальное смещение уровня жидкости в наклонном колене микроманометра. Для расчета коэффициента поверхностного натяжения взять среднее значение Н ср .

3. Аналогично определить коэффициент поверхностное натяжение этилового спирта.

4. Найти предельные абсолютную и относительную погрешности при определении поверхностного натяжения каждой жидкости. Записать для каждой жидкости окончательные результаты измерений с учетом их точности по формуле.

Гидростатическое давление.

Основным понятием гидростатики является гидростатическое давление – давление в данной точке покоящейся жидкости. Из курса физики известно, что давление есть величина, равная отношению силы давления (направленной перпендикулярно к площадке) к площади поверхности, на которую она действует.

Р = F / S (2-1)

В формуле (2-1) определяется среднее давление, так как сила может действовать на поверхность площадки неравномерно. Внутри жидкости каждая частица подвергается всестороннему сжатию со стороны соседних частиц. Если мысленно окружить рассматриваемую частицу жидкости очень маленькой сферой, площадь которой имеет значение ∆S – (знак ∆ указывает на её малое значение), то среднее давление на сферу можно определить как

Р = ∆F / ∆S (2-2)

Если площадь поверхности сферы (очень маленькую) продолжать уменьшать до нуля, то в пределе она превратиться в точку. При этом среднее давление станет истинным давлением в рассматриваемой точке внутри жидкости (гидростатическим ). Математически это можно записать следующим образом:

Р= lim (∆ F / ∆S) = δF/ δS (2-3)

∆S →0

lim означает предел; в пределе малая величина ∆ превращается в бесконечно малую δ (дифференциал).

Гидростатическое давление имеет два важных свойства:

-оно всегда направлено перпендикулярно к площадке;

-его действие не зависит от ориентации площадки в пространстве, т.е. со всех сторон оно одинаково.

2.2. Основное уравнение гидростатики.

В общем случае равновесия некоторого объёма жидкости под действием приложенных к нему сил знаменитым учёным Российской Академии наук Леонардом Эйлером было получено дифференциальное уравнение, решение которого позволяет получить расчётные формулы для нахождения гидростатического давления в разных конкретных случаях. Так, если на частицы жидкости действует только сила тяжести, то дифференциальное уравнение равновесия частиц внутри жидкости имеет следующий вид:

δ Р = - ρ gdz (2-4)

Здесь осьZ – вертикальная ось; ускорение свободного падения имеет направление, противоположное оси Z (на это указывает знак минус "–" в уравнении). Плотность жидкости ρ, как и ускорениеg , постоянные величины, не зависящие от давления и температуры

Решение (интегрирование) уравнения имеет следующий вид:

Р = - ρ gz + с (2-5)

Постоянную интегрирования находим следующим образом. Пусть рассматриваемая точка жидкости m находится на расстоянии Н от поверхности жидкости. При z = z 0 P = P 0

Следовательно, P 0 = - ρ gz + с Отсюда: с = P 0 + ρ gz 0 Подставляем значение с в формулу (2-5) и окончательно получаем формулу для расчёта гидростатического давления в точке, находящейся под слоем жидкости высотой Н :

Р = P 0 + ρ g Н (2-6)

Давление Р называют абсолютнымдавлением в точке, P 0 - внешнее поверхностное давление (в открытом сосуде оно равно атмосферному давлению),

Р - P 0 =P в = ρ g Н – давление столба жидкости высотой Н (его также называют весовым или избыточным давлением). В технике приборами, как правило, измеряется избыточное давление.

В дальнейшем атмосферное давление условимся обозначатьР атм, абсолютное – Р А, а избыточное – Р изб.

Выражение (2-6) называется основным уравнением гидростатики. Согласно этому уравнению, давление на поверхности жидкости P 0 передаётся всем точкам объёма жидкости и по всем направлениям одинаково (закон Паскаля – гиперссылка.

Из формулы (2-1) следует, что в системе СИ единицей измерения давления служит паскаль: Па = н/ м 2 . Это небольшая величина и на практике часто используют более крупные единицы КПа=10 3 Па и МПа=10 6 Па.

2.3. Виды давления: атмосферное, избыточное, весовое, абсолютное, вакуумметрическое .

Атмосферное давление было открыто ещё в 16 в. известным итальянским учёным Торичелли. В земной атмосфере на любое тело, находящееся на поверхности земли давит воздушный столб. Его среднее давление Р = ρg Н определяется средней плотностью воздуха ρ и высотой воздушного столбаН. Согласно измерениям Торичелли это давление соответствует давлению столба ртути высотой 733 мм. Более поздние исследования показали, что это давление (его назвали нормальным атмосферным давлением) составляет 760 мм.рт.ст. или в системе СИ -0,1013 МПа=101,3 КПа. Округлённо в расчётах его берут равным 100 КПа=0,1 МПа.

В закрытом сосуде над поверхности жидкости с помощью, например, компрессора, можно создать избыточное давление Р изб. В этом случае абсолютное давление в точке под слоем жидкости на глубине Н будет равно:

Р А = P 0 + ρ g Н = Р атм + (Р изб + ρ g Н) (2-7)

В подобных случаях давление столба жидкости принято называть весовым давлением. Из определения избыточного давления следует, что в закрытом сосуде на глубине Н оно складывается из Р изб воздуха и весового P в = ρ g Н (давления столба жидкости высотой Н).

Рисунок 2.1

Избыточное давление Р изб в воздухе над поверхностью жидкости можно определить с помощью простого прибора, называемого пьезометром . Это стеклянная трубка малого диаметра, подсоединённая к сосуду с жидкостью (рис. 1-2). Из формулы (1-12) следует, что изменение величины P 0 одинаково для всех точек внутри жидкости. Если давление над поверхностью жидкости равно атмосферному (P 0 =Р атм), то, согласно формуле (2-4) жидкость в трубке установится на той же высоте, что и в сосуде (уровень 0-0). При увеличении давления

P 0 =P атм + Р изб это избыточное давление Р изб передаётся всем точкам жидкости, в том числе и тем, которые лежат на границе жидкость-воздух в трубке

(уровень 0-0; абсолютные давления в точках 1 и 2 одинаковы).

Р 0 =Р атм + Р Р атм

Рис. 2.2. Схема измерения избыточного давления

Так как давление со стороны жидкости на них превысит давление воздуха P атм, жидкость в трубке начнёт подниматься до нового положения равновесия (на высоту h ). Следовательно, Р изб = ρ gh.

За нулевой уровень можно принять любой другой уровень, например, проходящий на глубине Н (уровень 0 1 -0 1). Абсолютные давления в точках 3 и 4 одинаковы.

Но P 3 =P 0 + ρ g Н =P атм + Р + ρ g Н ;

В данном случае давление Р является избыточным давлением Р =Р изб.P 4 =P атм + ρ gh + ρ g Н . Сравнивая правые части, снова получаем Р=Р изб = ρ gh .

Пьезометры рассчитаны на измерение малых давлений (избыточное давление 0,1 ат поднимает воду в пьезометре на высоту 1 м).

Рассмотрим случай, когда абсолютное давление над поверхностью жидкости P А становится меньше атмосферного (при откачивании воздуха из пространства над жидкостью), Давление в точке 1 при условии Р А <Р атм можно измерить с помощью, так называемого обратного пьезометра или вакуумметра (см. рис. 1-3). Очевидно, что горизонт жидкости в изогнутой трубке опустится ниже уровня точки 1 на высоту h вак. Эта высота по отношению к уровню, проходящему через точку 1, будет отрицательной, если высоту Н считать положительной.

Давление в точке 1 сверху будет равно:

Р А = Р 0 + ρ g Н .

Давление в точке 1 со стороны трубки равно:

Р атм - ρ gh вак .

Из равенства этих формул следует, что давление Р А = Р атм - ρ gh вак . Отсюда

h вак =(Р атм – Р А)/ ρ g. (2-8) Эту величину называют вакуумметрической высотой ,

Рисунок 2.3. Схема измерения вакуумметрической высоты с помощью вакуумметра.

Она характеризует разность двух давлений Р атм – Р А в точке 1. Именно эту разность и называютвакуумом.

Избыточное давление в жидкости можно создать с помощью насос, оказывая на неё силовое действие (рабочим органом насоса). При движении рабочего органа (поршень, ротор и т.п.) на входе в насос образуется вакуум (разряжение), а нв выходе насоса-избыточное давление. Измеряются они с помощью приборов (манометров, мановакуумметров).

2.4. Давление жидкости на плоскую и цилиндрическую стенки.

Рис. 2.4. Схема к определению равнодействующей гидростатического давления на плоскую поверхность. Эпюра сил давления. Справа- развёрнутая поверхность стенки.

На плоскую стенку в сосуде с жидкостью действуют силы давления, направленные перпендикулярно к ней.

С ростом глубины погружения Н растёт и величина избыточного давления Р = ρ g Н, а, следовательно, и сила давления на стенку. Можно показать, что средняя сила давления на вертикальную стенку равна произве-дению давления в центре стенки на площадь стенки:

F = P c S, где P c = ρ gН с = ρ g Н/2 (2-9)

Давление на горизонтальную поверхность дна сосуда во всех точках одинаково, поэтому сила давления на дно сосуда равна

Рис.2.5.Эпюра сил давления для наклонной стенки.

F = P∙ S, где P= ρ g Н (2-10)

В случае криволинейных стенок чаще всего необходимо определить силу, действующую на цилиндрическую поверхность, имеющую вертикальную ось симметрии. Возможны два варианта. Первый вариант -жидкость воздействует на стенку изнутри.

Во втором варианте жидкость действует на стенку снаружи. Рассмотрим первый вариант.

Выделим объём жидкости, ограниченный рассматриваемым участком цилиндрической поверхности AB , участком свободной поверхности CD, расположенным над участком AB, и двумя вертикальными поверхностями BC и CD , проходящими через точки A и B . Эти поверхности ограничивают объём ABCD , который находится в равновесии. Рассмотрим условия равновесия этого объёма в вертикальном и горизонтальном направлениях. Заметим, что, если жидкость действует на поверхность AB, c какой то силой F , то с такой же силой, но в обратном направлении, и поверхность действует на рассматриваемый объём жидкости. Эту силу, перпендикулярную поверхности AB , можно представить в виде горизонтальной F г и вертикальной F в составляющих.

Условие равновесия объёма ABCD в вертикальном направлении выглядит, так: F в = P 0 S г + G (2-10)

где P 0 – внешнее давление, S г – площадь горизонтальной проекции поверхности AB, G – вес выделенного объёма жидкости.

P 0

h c

G

C

E

D

A

F x

D

F R

F R

δ

P

Зная F г и F в определим полную силуF, действующую на цилиндрическую поверхность

Рассмотрим трубу длиной l с внутренним диаметром D и толщиной стенок δ , находящуюся под действием гидростатического давления P . Это давление порождает разрывающие силы F x . Из-за симметричности трубы такие разрывающие силы будут действовать одинаково во всех направлениях. Для вертикальной плоскости эта сила будет равна

F х = πDl (2-12) ,

где произведение Dl – есть вертикальная проекция площади стенки трубы.

Рис.2.7. К определению разрывающей силы в трубе.

Разрывающей силе будут противодействовать силы реакции F R , возникающие в стенках трубы. Площадь стенок трубы S c в любом осевом сечении составит:

S c =2l δ (2-13)

Под действием разрывающих сил в стенках трубы будет возникать суммарная сила реакция F R , равная по величине разрывающей силе, но направленная в противоположную сторону:

Отсюда находится напряжение σ в стенках трубы, вызываемое давлением внутри трубы. Оно равняется

σ = F R /S c = (PDl)/ (2l δ) =PD/2 δ (2-14)

Как вы думаете, рыба, плавая в океане, замечает, что вокруг неё вода? А собака ощущает, что ходит по дну воздушного океана? Привычка притупляет наблюдательность. Рыба, которая родилась в воде и провела в ней всю свою жизнь, без сомнения, не замечает воды и не ощущает давления, вызванного её весом. Так же, как пес, конечно же, не обращает внимания на воздух вокруг себя и не чувствует его давления на свое тело. Мы тоже не заметили бы этого, если только не услышали бы от кого-нибудь или не прочитали в книгах. Что-то должно произойти, чтобы мы обратили внимание на воздух. Или он начинает быстро двигаться, и ветер дует нам в лицо, или в нем образуется хорошо видимое облако. Но самый наглядный способ убедиться в наличии воздуха - увидеть, как он давит на находящиеся в нем предметы.

Возьмите пластмассовый стакан или другой сосуд и полностью погрузите его в воду в ванне. Подождем, пока стакан заполнится водой и перевернем его вверх дном. Медленно начнем вытаскивать его из воды. Смотрите! Вода поднимается вместе со стаканом, и уровень ее намного выше, чем уровень воды в ванной. Казалось бы, воду в стакане ничто не поддерживает. Но это, конечно, не так, иначе бы она упала. Что же это за сила, поднимающая воду? На несколько сотен километров вверх простирается над нами океан воздуха. Хотя воздух нам кажется совершенно невесомым, он оказывает значительное давление на поверхности Земли на каждый квадратный сантиметр. Ваша ванна, конечно, не исключение, воздух давит на поверхность воды в ней так же, как и на всё остальное вокруг.

Когда мы начинаем вытаскивать перевернутый вверх дном стакан, вода в нем стремится опуститься под действием силы притяжения земли. Однако опуститься она не сможет. Почему?

Чтобы разобраться в этом, представьте, что вода действительно немного опустилась, как показано на рисунке. Что будет в пространстве над штриховой линией А? Естественно, воздуха здесь нет, а значит, и его давления тоже. Другими словами, в стакане на уровне А атмосферное давление на поверхность воды не действует. Теперь посмотрим на стрелки В и С. Они показывают, как действует атмосферное давление на поверхность воды в ванне. Воздух давит на воду, она сжата этим воздухом, а значит, стремится заполнить образовавшееся пустое пространство. В результате, как только вода начинает выливаться из стакана, давление будет гнать ее обратно в пространство над уровнем А, как показано на рисунке стрелками D и Е.

Атмосферного давления нет.

На самом деле вода в стакане никогда не опускается настолько, чтобы это стало заметно, атмосферное давление немедленно возвращает её обратно в стакан и удерживает там, пока мы вытаскиваем его.

Но если вода удерживается атмосферным давлением в стакане высотой 15 см, будет ли она так же удерживаться в сосуде высотой 30 см? А в 60-сантиметровом? 3-метровом? 5-метровом? Если дома у вас отыщется соответствующая посуда, вы убедитесь, что вода удерживается в них. Однако есть предел высоты водяного столба, который может быть удержан таким способом. Вода имеет массу намного большую, чем масса воздуха, если сравнить равные их объёмы. Вода в 800 раз тяжелее, чем воздух такого же объёма. Вода, как и воздух, давит на находящиеся в ней тела. Значит давление столба воды высотой 10 м (а точнее 10 м 33 см) как раз уравновесит атмосферное давление, которое, удерживает воду в сосуде. Таким образом, вы видите, что высота столба воды не может заметно превышать 10 метров.

Представим себе высокий 15-метровый «стакан» (вернее - трубу), перевёрнутый вверх дном, который мы вытаскиваем из воды, как показано на рисунке. Когда закрытая часть «стакана» достигает высоты около 10 м над уровнем воды, жидкость в «стакане» перестанет подниматься. Мы продолжаем поднимать «стакан», но вода внутри него стоит на прежнем уровне. При этом в сосуде выше уровня воды образуется пустое пространство.

Что случится с водой в сосуде, если атмосферное давление в силу каких-либо причин уменьшится? Новое атмосферное давление сможет удержать уже меньший столб воды, уровень воды в «стакане» понизится. А если внешнее давление воздуха увеличится? Оно сможет удержать высоту столба, большую чем 10 м, и вода в сосуде начинает подниматься.

В сущности, мы с вами разобрали принцип действия прибора - барометра, с помощью которого измеряют атмосферное давление. В нашем случае атмосферное давление уравновешивается столбиком воды определенной высоты. Давление воздуха может быть измерено высотой водяного столба, который он в состоянии удержать.

Водяной барометр такого типа был изобретен Отто фон Герике несколько столетий назад. В качестве «стакана» он использовал стеклянную трубу, закрытую в верхнем конце, которую наполнил водой и установил возле своего дома. Труба была опущена в резервуар с водой. Герике поставил барометр так, что уровень верхней части трубы был виден отовсюду жителям городка, и те могли наблюдать, как поплавок на поверхности воды в трубе, отмечавший ее уровень, поднимался и опускался соответственно с изменениями атмосферного давления. Если поплавок в барометре резко падал, горожане уже знали, что давление воздуха падает, и, скорее всего, близится ненастье, а когда поплавок поднимался в трубке, это означало, что хорошая погода скоро придет в городок.

Почему изменение атмосферного давления означает вероятное изменение погоды? Оказывается, теплый влажный воздух, который обычно приносит пасмурную погоду, легче холодного и сухого - предвестника ясной и хорошей погоды, значит, при ухудшении погоды давление должно падать, а при улучшении - повышаться. Барометр - широко используемый прибор. Правда, труба высотой 10 метров, да еще наполненная водой, очевидно, очень неудобна для применения.

Можно значительно укоротить трубу, если вместо воды использовать ртуть - жидкий металл, который в 13.6 раза тяжелее воды. В ртутном барометре давление, уравнивающее атмосферное, создается столбом жидкости высотой лишь 1033/13.6 = 76 (см). Это, конечно, намного удобнее, чем 10 с лишним метров, поэтому в барометрах вместо воды лучше, использовать ртуть. Такой прибор по своей конструкции ничем не отличается от водяного, только он намного меньше, и трубу необязательно придерживать рукой - она закрепляется в необходимом положении, каким-нибудь более удобным способом.