Упругие силы жидкости силы давления будучи не имеют определенной приложения и действуют по некоторой
Главная цель книги — познакомить студентов прежде всего с основными идеями и методами физики. Особое внимание обращено на разъяснение смысли физических законов и на сознательное применение их. Несмотря на сравнительно небольшой объем, книга представляет собой серьезное руководство, обеспечивающее подготовку, достаточную для успешного усвоения в дальнейшем теоретической физики и других физических дисциплин.
Предисловие к четвертому изданию
При подготовке к настоящему изданию книга была значительно переработана. Написаны заново (полностью или частично) параграфы 7, 17, 18, 22, 27, 33, 36, 37, 40, 43, 68, 88. Существенные добавления или изменения сделаны в параграфах 2, 11, 81, 89, 104, 113.
Ранее, при подготовке ко второму и третьему изданиям были написаны заново параграфы 14, 73, 75. Существенные изменения или добавления были внесены в параграфы 109, 114, 133, 143.
Таким образом, по сравнению с первым изданием облик первого тома заметно изменился. Эти изменения отражают методический опыт, накопленный автором последние десять лет преподавания обшей физики в Московском инженерно-физическом институте.
Ноябрь 1969 г. И. Савельев
Из предисловия к четвертому изданию
Предлагаемая вниманию читателей книга представляет собой первый том учебного пособия по курсу общей физики для втузов. Автор в течение ряда лет преподавал общую физику в Московском инженерно-физическом институте. Естественно поэтому, что пособие он писал имея в виду прежде всего студентов инженерно-физических специальностей втузов.
При написании книги автор стремился познакомить учащихся с основными идеями и методами физической науки, научить их физически мыслить. Поэтому книга не является по своему характеру энциклопедичной, содержание в основном посвящено тому, чтобы разъяснить смысл физических законов и научить сознательно применять их. Не осведомленности читателя по максимально широкому кругу вопросов, а глубоких знаний фундаментальным основам физической пауки — вот что стремился добиться автор.
Наметив в самых общих чертах принципы кинематического описания движения жидкостей и газов, приступим к рассмотрению основных идей динамики движения, то есть выяснения причин, того или иного вида движения. Основным понятием динамики является взаимодействие тел и его характеристика – сила. Следовательно, для динамического описания движения жидкостей и газов необходимо рассмотреть взаимодействие различных частей жидкой среды между собой. Как мы уже отмечали, эти силы обусловлены межмолекулярными взаимодействиями, их полное описание чрезвычайно сложно, но сейчас нам нет необходимости досконально знать законы этих взаимодействий, достаточно принять во внимание, что при деформации жидкости (то есть изменении расстояния между молекулами) возникают силы упругости.
Помимо межмолекулярных сил (сил давления, обусловленных деформацией жидкости), на жидкость могут действовать и внешние силы, например, гравитационные (в частности, сила тяжести), инерционные, электрические, магнитные и т.д. Имеет смысл, разделить эти внешние силы на две группы – объемные, действующие, на все части жидкости, и поверхностные, действующие только на поверхность жидкости со стороны окружающих тел (например, стенок сосуда).
Пусть жидкость находится в состоянии покоя. В качестве исходных «аксиом» примем законы динамики Ньютона и очевидный экспериментальный факт - жидкость обладает свойством текучести. Полученные в данном разделе результаты в равной мере применимы и к газам.
Рассмотрим, какие следствия можно извлечь из этих «аксиом».
-
Сила, с которой покоящаяся жидкость действует на стенки сосуда, направлена перпендикулярно к этим стенке(рис. 114).
\vec F_d\) , действующая на стенку, направлена под некоторым (не прямым) углом к последней. По третьему закону Ньютона, стенка действует на жидкость с силой \(
\vec F\), равной по величине и противоположной по направлению \(
\vec F = -\vec F_d\) . Разложим эту силу на нормальную (направленную перпендикулярно стенке) \(
\vec F_n\) и тангенциальную (направленную по касательной к стенке) \(
\vec F_\) составляющие (рис. 115). При наличии тангенциальной силы, действующей на жидкость, жидкость, вследствие текучести, придет в движение. В состоянии равновесия таких сил быть не может. Следовательно, силы взаимодействия стенки и жидкости нормальны к стенке.
Это утверждение доказывается аналогично предыдущему, методом от противного. Итак, вопрос о направлении сил взаимодействия жидкости с сосудом и различных частей жидкости, решается однозначно – эти силы направлены по нормали к границе раздела. Если внутри жидкости выделить некоторую малую площадку, то модуль силы, действующей на одну сторону этой площадки, не зависит от ее ориентации. Это свойство внутренних сил позволяет ввести скалярную силовую характеристику взаимодействий внутри жидкости – давление. Строго говоря, силы взаимодействия между различными частями жидкости изменяются от точки к точке, поэтому изменение ориентации не малой площадки приведет к изменению силы, действующей на нее. Для малой [1] же площадки можно пренебречь изменением сил взаимодействия в ее пределах. Поэтому модуль рассматриваемой силы в этом случае оказывается пропорциональной площади. Следовательно, отношение модуля силы к площади площадки является характеристикой сил упругости внутри жидкости. Давление – отношение модуля силы, действующей на выделенную малую площадку, к площади этой площадки \(p = \frac\) , при ΔS → 0 . (1) Как мы уже отмечали, жидкость может быть, как сжата, так и растянута, поэтому силы давления (силы упругости), оставаясь нормальными, могут быть направлены в разные стороны от границы жидкости. Для указания направления можно указывать знак давления. Принято считать давление положительным, если сила давления жидкости направлена наружу от рассматриваемого объема, что соответствует сжатой жидкости, в случае же растянутой жидкости силы упругости направлены внутрь жидкости, поэтому давление такой жидкости считается отрицательным. Понятно, что сила, действующая на площадку, может зависеть от ее положения внутри жидкости, поэтому и давление может изменяться при переходе от одной точке объема жидкости к другой. В этом смысле, давление следует рассматривать как точечную характеристику, то есть как функцию координат p(x,y,z). Конечно, измерить давление «в данной точке» измерить невозможно – измерению поддается только сила, действующая на площадку конечной площади. Кроме того, бессмысленно говорить о давлении на площадях, сравнимых с размерами отдельной молекулы. Однако с точки зрения простоты математического описания удобней рассматривать давление именно как функцию координат, понимая физическую ограниченность этого понятия.
\Delta \vec F = p \Delta S \vec n\) , где \(
\vec n\) единичный вектор нормали к площадке. Для вычисления суммарной силы давления на некоторую поверхность внутри жидкости, необходимо разбить эту поверхность на малые участки (рис. 117), вычислить силу, действующую на каждую площадку, и просуммировать все эти силы \(
Для доказательства этого положения, мысленно выделим внутри жидкости произвольно ориентированный узкий цилиндр (рис. 118). Так как жидкость в выделенном объеме находится в покое, то силы, действующие на основания цилиндра, равны по модулю и противоположны по направлению \(
\vec F\) . Под действием этой силы жидкость дополнительно сожмется, что приведет к увеличению давления. В состоянии равновесия эта дополнительная сила будет скомпенсирована равным увеличением силы давления на поршень со стороны жидкости. Следовательно, увеличение давления жидкости непосредственно под поршнем будет равно \(
\Delta p_0 = \frac\) , где S0 - площадь поршня. Выделим внутри жидкости произвольную замкнутую поверхность, часть которой совпадает с поверхностью поршня. В состоянии равновесия сумма объемных сил \(
\vec F_\), действующих на выделенную часть жидкости, и поверхностных сил давления \(
\vec F_ + \sum_ = \vec 0\) . (2) Дополнительная сила давления на часть выбранной поверхности под поршнем должна быть скомпенсирована увеличением поверхностных сил давления на остальную поверхность. Обозначим увеличение давления вблизи части ΔSi поверхности - Δpi . В состоянии равновесия должно выполняться соотношение, аналогичное (2) \(
\vec F_ + \sum_ <(p_i + \Delta p_i) \Delta S_i \vec n_i>= \vec 0\) . (3) Учитывая, что суммарная объемная сила не изменилась, из (2), (3) следует, что соотношение \(
\sum_ = \vec 0\) , должно выполняться для любой поверхности внутри объема жидкости, что возможно только в том случае, если величины Δpi одинаковы во всех точках жидкости, то есть \(
При движении тел в вязкой жидкости возникают силы сопротивления. Происхождение этих сил можно объяснить двумя разными механизмами. При небольших скоростях, когда за телом нет вихрей (ламинарное течение, идеальное обтекание), сила сопротивления обуславливается только вязкостью жидкости. В этом случае прилегающие к телу слои жидкости движутся вместе с телом. Но граничащие с ними слои также увлекаются в движение силами молекулярного сцепления. Так создаются силы, тормозящие относительное движение твердого тела и жидкости. Величину этих силы трения можно рассчитать с использованием формулы Ньютона (1).
Второй механизм возникновения сил сопротивления связан с образованием вихрей и различием скоростей движения жидкости перед телом и за ним (рис.2). Давление в стационарном потоке жидкости меняется в зависимости от скорости потока так, что в области вихрей оно существенно уменьшается (уравнение Бернулли p1+rv1 2 /2=p2+rv2 2 /2). Разность давлений Dp=r(v1 2 –v2 2 )/2 в областях перед телом и за ним создает силу «лобового» сопротивления (F=DpS) и тормозит движение тела. Часть работы, совершаемой силами трения при движении тела в жидкости, идет на образование вихрей, энергия которых переходит затем в теплоту.
Если движение тела в жидкости происходит медленно, без образования вихрей, то сила сопротивления создается только по первому из описанных механизмов. Для тел сферической формы ее величину определяют по формуле Стокса:
где r- радиус шарика; v - скорость его равномерного движения; h - вязкость жидкости.
2. Определение вязкости жидкости по методу Стокса
2.1. Теория метода
На движущийся шарик в жидкости действуют три силы: сила тяжести - FТ, выталкивающая архимедова сила Fв и сила сопротивления Fc. Силу тяжести и выталкивающую силу можно определить через объем шарика, плотность r шарика и плотность r0 жидкости:
Сила тяжести и выталкивающая сила постоянны. Сила сопротивления Fc прямо пропорциональна этой скорости и поэтому на начальном этапе она меньше силы тяжести и шарик падает равноускоренно. При этом сила сопротивления увеличивается и наступает момент, когда все три силы уравновешиваются. Шарик начинает двигаться равномерно:
(6)
2.2. Экспериментальная установка
Для определения вязкости жидкости по методу Стокса берется высокий цилиндрический сосуд с исследуемой жидкостью (рис.3). На сосуде имеются две кольцевые метки А и В. Метка А находится несколько ниже уровня жидкости и соответствует той высоте, где силы, действующие на шарик, уравновешивают друг друга и движение становится равномерным. Нижняя метка В нанесена для удобства отсчета времени в момент падения шарика.
Бросая шарик в сосуд, отмечают по секундомеру время t прохождения шариком расстояния l = АВ между двумя метками.
Если в формулу (6) подставить выражение для скорости движения v=l/t и вместо радиуса r ввести диаметр шарика d, то окончательная расчетная формула приобретает вид:
( 7)
2.3.Ход выполнения работы
1. Измеряют расстояние между метками А и В.
2. При необходимости измеряют с помощью ареометра плотность жидкости r0[2].
3. Измеряют микрометром или штангенциркулем диаметр d шарика.
4. Бросив шарик в сосуд с жидкостью, измеряют время t прохождения шариком расстояния между метками А и В.
5. По формуле (7) вычисляют вязкость жидкости h.
6. Аналогичные измерения проделывают с пятью шариками. Результаты измерений и вычислений заносят в таблицу 1 отчета.
7. По результатам всех пяти опытов находят среднее значение вязкости h.
8. Для оценки систематической погрешности измерения вязкости используют расчетную формулу (7). Из нее выводят формулу для вычисления относительной погрешности измерения. При этом считают, что табличные величины, входящие в формулу, не имеют погрешностей, а погрешности измеренных величин l, d, t и r определяются точностью приборов, использованных для их измерения.
9. Полученное значение вязкости сравнивают с табличной величиной для данной жидкости. При объяснении причин расхождения указывают, какой из используемых измерительных приборов вносит в окончательный результат наибольшую погрешность.
Для горизонтальной поверхности величина давления одинакова во всех точках этой поверхности, т.к.:
Отсюда:
Таким образом, Сила давления жидкости на горизонтальную поверхность (дно сосуда) равно произведению площади этой поверхности на величину давления на глубине погружения этой поверхности. На рисунке показан так называемый «гидравлический парадокс», здесь величины силы давления на дно всех сосудов одинаковы, независимо от формы стенок сосудов и их физической высоты, т.к. площади доньев у всех сосудов одинаковы, одинаковы и величины давлений.
Сила давления на наклонную поверхность, погруженную в жидкость. Практическим примером такой поверхности может служить наклонная стенка сосуда. Для вывода урав-
нения и вычисления силы давления на стенку выберем следующую систему координат: ось ОХ направим вдоль пересечения плоскости свободной поверхности жидкости с наклонной стенкой, а ось OZ направим вдоль этой стенки перпендикулярно оси ОХ. Тогда в качестве координатной плоскости XOZ будет выступать сама наклонная стенка. На плоскости стенки выделим малую площадку, которую, в связи с малыми размерами можем считать горизонтальной. Величина давления на глубине площадки будет равна:
где: h - глубина погружения площадки относительно свободной поверхности жидкости (по вертикали).
Силадавления dP на площадку:
Для определения силы давления
на всю смоченную часть наклонной стенки (часть площади стенки сосуда, расположенная ниже уровня свободной поверхности жидкости) необходимо проинтегрировать это уравнение по всей смоченной части площади стенки S .
Интеграл представляет собой статический момент площади S относительно
оси ОХ. Он, как известно, равен произведению этой площади на координату её центра тяжести z c . Тогда окончательно:
Таким образом, сила давления на наклонную плоскую поверхность, погружённую в жидкость равна смоченной площади этой поверхности на величину давления в центре тяжести этой площади. Сила давления на плоскую стенку кроме величины и направления характеризуется также и точкой приложения этой силы, которая называется центром давления.
Центр давления силы атмосферного давления p 0 S будет находиться в центре тяжести площадки, поскольку атмосферное давление передаётся на все точки жидкости одинаково. Центр давления самой жидкости на площадку можно определить исходя из теоремы о моменте равнодействующей силы. Согласно этой теореме момент равнодействующей
силы относительно оси ОХ будет равен сумме моментов составляющих сил относительно этой же оси.
откуда:
где:- положение центра избыточного давления на вертикальной оси,
- момент инерции площадки S относительно оси ОХ.
Отсюда центр давления (точка приложения равнодействующей силы избыточного давления) расположен всегда ниже центра тяжести площадки. В сучаях, когда внешнней действующей силой на свободную поверхность жидкости является сила атмосферного давления, то на стенку сосуда будут одновременно действовать две одинаковые по величине и противоположные по направлению силы обусловленные атмосферным давлением (на внутреннюю и внешнюю стороны стенки). По этой причине реальной действующей несбалансированной силой остаётся сила избыточного давления.
2.7. Сила давления на криволинейную поверхность, погружённую в жидкость Выберем внутри покоящейся жидкости криволинейную поверхность ABCD , которая может быть частью поверхности некоторого тела погруженного в жидкость. Построим проекции этой поверхности на координатные плоскости. Тогда в координатной плоскости XOZ проекцией этой поверхности будет плоская поверхность , в координатной
плоскости YOZ — плоская поверхность и в плоскости свободной поверхности
жидкости (координатная плоскость ХОТ) - плоская поверхность . На криволи-
нейной поверхности выделим малую площадку dS , проекции которой на координатные
плоскости будут соответственно . Сила давления на криволинейную поверхность dP будет направлена по внутренней нормали к этой поверхности и может быть представлена в виде:
Горизонтальные составляющие могут быть определены, как силы давления
'' - на проекциималой площадки dS на соот-
ветствующие координатные плоскости:
Интегрируя эти уравнения, получим (как в случае с давлением на наклонную поверхность):
Вертикальная составляющая силы давления:
^
Второй интеграл в этом равенстве представляет собой объём образованный рассматриваемой криволинейной поверхностью ABCD и её проекцией на свободную поверхность жидкости. Этот объём принято называть телом давления
Таким образом, горизонтальные составляющие силы давления на криволинейную поверхность равны давлениям на вертикальные проекции этой поверхности, а вертикальная составляющая равна весу тела давления, и силе внешнего давления на горизонтальную проекцию криволинейной поверхности.
Основные уравнения гидростатики широко используются на практике. Примероми могут служить простейшие гидравлические машины - гидравлический пресс, построенный по принципу сообщающихся сосудов и гидравлический аккумулятор.
Гидравлический пресс состоит из двух цилиндров приводного (1) и рабочего (2) со-
единеных между собой трубопроводом и представляет систему сообщающихся сосудов. В приводном цилиндре перемещается плунжер малого диаметра d , в рабочем цилиндре находится поршень с большим диаметром D . Связь между плунжером и рабочим поршнем осуществ ляется через рабочую жидкость, заполняющую гидравлическую систему (сообщающиеся сосуды). Усилие F через рычаг передаются рабочей жидкости.
Сила давления на жидкость под плунжером Р ] передаёт жидкости давление р, которое, в свою очередь, передаётся во все точки рабочего поршня.
Тогда сила давления на поверхность рабочего поршеня будет равна'
Таким образом, с помощью гидравлического пресса, приложенная к концу рычага
^ сила, увеличивается враз.
2.8. Равновесие твёрдого тела в жидкости
Определим силу давления на твёрдое тело, погружённое в жидкость. На замкнутую криволинейную поверхность, являющуюся поверхностью твердого тела погружённого в
жидкость будут действовать массовые силы (в данном случае силы тяжести) и поверхностные, силы давления на поверхность тела. Рассмотрим действие сил давления. Как известно, горизонтальные составляющие силы давления будут взаимно уравновешены. Так как проекции тела на координатную плоскость XOZ с его левой и правой сторон совпадут; то совпадут и координаты центров тяжести этих проекций. Тогда проекции сил давления на ось
ОХ будут одинаковыми по величине, но противоположными по направлению Аналогично можно записать и для проекций сил давления на ось OY (давление на проекции поверхностей в координатной плоскости YOZ ), . Неуравновешенными будут
лишь вертикальные составляющие силы давления, действующие на верхнюю и нижнюю стороны поверхности тела.
Вертикальными сечениями выделим на верхней и нижней половинах тела малые площадки. Тогда вертикальные составляющие на верхнюю и нижнюю площадки будут равны:
После интегрирования по объёму тела найдём равнодействующую сил давления. Она окажется равной разности весов двух тел давления, ограниченных свободной поверхностью жидкости и верхней и нижней поверхностями тела.
Равнодействующая сил давления носит название выталкивающей силы, эта сила направлена вертикально вверх и численно равна весу жидкости в объёме вытесненной телом. Последнее положение получило название закона Архимеда. Закон Архимеда часто формулируют несколько иначе: «тело, погружнное в жидкость теряет в своём весе столько сколько весит вытесненная им жидкость».
Таким образом, На погружённое в жидкость тело действуют две силы:
вес телаи выталкивающая сила
ЕслиТело будет тонуть.
ЕслиТело будет всплывать до тех пор пока вес тела и величина
выталкивающей силы, действующей на погруженную часть объёма тела не уравновесятся.
ЕслиТело будет находиться во взвешенном состоянии в жидкости,
т.е. плавать внутри жидкости на любой заданной глубине.
Для тела плавающего на поверхности жидкости должно, таким образом выполняться условие:
Другими словами, степень погружения плавающего на поверхности тела под уровень жидкости заваисит от со отношения плотности телаи жидкости:
Если тело однородное, то точка приложения силы тяжести тела и точка приложения выталкивающей силы совпадают. В тех случаях, когда плавающее на поверхности жидкости тело не однородно по своему составу (корабль с грузом) в условиях равновесия точки приложения действующих на тело сил располагаются в разных местах на прямой вертикальной линии. В таких случаях на плавающее в жидкости тело действует пара сил, от
действия которой зависит положение тела относительно жидкости Такие плавающие тела могут находиться в остойчивом и не остойчивом состоянии Так тело 1 под действием пары сил находится в состоянии равновесия На тело 2 действует пара сил, стремящаяся уменьшить угол крена (угол между осью плавания тела и плоскостью сво бодной поверхности жидкости) Такое положение плавающего тела называется остойчивым На тело 3 действует пара сил, стремящаяся увеличить угол крена (перевернуть тело), такое положение тела называется не остойчивым положением
; t * 3. Элементы кинематики жидкости
Кинематикой называют раздел механики, изучающий движение физических тел вообще, вне связи с источником движения (силами). Это определение справедливо и для кинематики жидкости как отдельного раздела гидравлики. 3.1. Методы изучения движения жидкости.
Жидкость представляет собой физическое тело, состоящее из бесконечно большого числа бесконечно малых частиц. С большой степенью точности мы можем рассматривать жидкое тело как сплошную среду, эта модель позволяет значительно упростить решение большинства гидравлических задач. Тем не менее, нередки случаи, когда уровень исследования движения жидкого тела требует глубокого знания физических процессов происходящих в движущейся жидкости на молекулярном уровне. В таких случаях вполне удобная модель сплошной среды может оказаться неприемлемой.
Исходя из практики изучения гидравлики как прикладной дисциплины, можно упомянуть два метода изучения движения жидкости: метод Лагранжа и метод Эйлера.
Описание движения жидкости методом Лагранжа сводится к рассмотрению положения частиц жидкости (в полном смысле слова) в любой момент времени. Так в начальный момент времени частицы находились в точках 1, 2, 3 и 4. По истечении некоторого времени они переместились в точки: Г, 2',3'и4', причём это перемещение сопровождалось изменением объёмов и форм частиц (упругой деформацией). Тогда можно утверждать, что частицы жидкости при своём движении участвуют в трёх видах движения (поступательном, вращательном и деформации). Для описания такого сложного движения жидкости необходимо, таким образом, определить как траектории частиц, так и гидравлические характеристики частиц (плотность р, температуру Т и скорость и) в функции времени и координат.
Переменные а, Ь, с, и / носят название переменных Лагранжа. Задача сводится к решению систем дифференциальных уравнений в частных производных для каждой части-
цы жидкости. Метод Лагранжа ввиду громоздкости и трудности решения может использоваться в случаях детального изучения поведения лишь отдельных частиц жидкости. Использование этого метода для инженерных расчётов не рентабельно.
Суть другого метода, метода Эйлера заключается в том, что движение жидкости подменяется изменением поля скоростей. Под полем скоростей понимают некоторую достаточно большую совокупность точек бесконечного пространства занятого движущейся жидкостью, когда в каждой точке пространства в каждый момент времени находится частица жидкости с определённой скоростью (вектором скорости). Припишем неподвижным точкам пространства скорость частиц жидкости, которые в данный момент времени находятся в этих точках. Поскольку пространство бесконечно и непрерывно, то мы имеем массив данных о скоростях достаточно полный, чтобы определить (задать) поле в каждой его точке. Условно, нос достаточной точностью такое поле можно считать непрерывным.
Несмотря на то, что исходные условия создания модели движущийся жидкости довольно сложные, тем не менее, метод Эйлера весьма удобен для расчётов.
Построение поля скоростей осуществляется следующим образом:
На некоторый момент времени (например, to ) произвольным образом выберем необходимое число точек, в которых находятся частицы жидкости. Приписав их скорости точкам неподвижного пространства (1, 2, 3, 4, 5 и 6) мы сделаем «моментальную фотографию» поля скоростей на выбранный момент времени. В следующий момент времени в тех же выбранных точках
неподвижного пространства будут находиться другие частицы жидкости, имеющие другие скорости . Выполнив уже
известную процедуру второй раз, получим но вую «моментальную фотографию» поля скоростей на момент времени. Теперь вместо изучения траекторий частиц жидкости
будем сравнивать поля скоростей. Тогда система уравнений примет вид:
Поле скоростей движения жидкости иногда называют гидродинамическим полем по аналогии с электромагнитным, тепловым и др. полями. Это определение не противоречит физической стороне процесса движения жидкости. Анализируя состояние гидродинамического поля на разные моменты времени, можно отметить, что с течением времени поле изменилось, несмотря на то, что в отдельных точках 5 и 6 скорости остались постоянными Такое поле называют нестационарным гидродинамическим полем. В частном случае, когда во всех точках неподвижного пространства с течением времени предыдущие частицы жидкости сменяются другими с такими же скоростями, то поле скоростей во времени не меняется. Такое гидродинамическое поле называют стационарным. В соответствии с этим различают и два вида движения жидкости: установившееся, когда поле скоростей является стационарным и неустановившееся при нестационарном гидродинамическом поле.
Читайте также: