Гідростатика

На тіло, занурене в рідину чи газ, діють сили, розподілені поверхнею тіла. Тиск p – це фізична величина, що дорівнює відношенню сили F, що діє перпендикулярно до поверхні, до площі цієї поверхні S:

У СІ тиск вимірюється у паскалях (Па). Часто використовуються позасистемні одиниці тиску:

1 атм = 101 325 Па = 760 мм. рт. ст.

Атмосферний тиск обумовлено вагою повітряного стовпа. Атмосферний тиск, що дорівнює тиску стовпа ртуті заввишки 760 мм при температурі 0 ºC, називається нормальним атмосферним тиском і позначається p ₀.

Закон Паскаля. Зовнішній тиск, що чиниться на рідину або газ, передається у всіх напрямках однаково і не залежить від орієнтації майданчика, на яку воно діє.

Тиск, обумовлений вагою рідини, ( гідростатичний тиск ) залежить від глибини:

Закон сполучених судин. Якщо у відкриті сполучені судини налита та сама рідина, її рівень у всіх судинах буде однаковий.

Через різницю тиску в рідині на різних рівнях виникає виштовхуюча (архімедова) сила:

Тут ρ_ж - Щільність рідини, V - обсяг зануреної частини тіла. Іншими словами, у рідині тіло втрачає у вазі стільки, скільки важить витіснена ним рідина. З закону Архімеда випливає, що тіло виштовхуватиметься з рідини на її поверхню, тільки якщо його щільність ρ < ρ_ж.

Гідростатичний тиск рідини: фізична природа та практичне застосування

Гідростатичний тиск відіграє ключову роль у роботі багатьох технічних пристроїв та природних процесів.Давайте розберемося в його суті та можливостях використання на практиці.

Сутність гідростатичного тиску

Гідростатичним тиском називають тиск, що виникає в рідині, що покоїться під дією сили тяжіння. Воно є наслідком рівномірного розподілу гідростатичного тиску з усього обсягу рідини.

Причини виникнення гідростатичного тиску:

• дія сили тяжіння на молекули рідини;
• неможливість вільного переміщення молекул через малу відстань між ними;
• передача тиску від одних шарів рідини до інших.

Для обчислення величини гідростатичного тиску використовується формула:

де P - гідростатичний тиск, ρ - густина рідини, g - прискорення вільного падіння, h - глибина занурення точки, в якій обчислюється тиск.

У системі СІ гідростатичний тиск вимірюється у паскалях (Па).

Гідростатичний тиск прямо пропорційний глибині крапки в рідині - зі збільшенням глибини тиск зростає.

Фізичні властивості гідростатичного тиску

Розглянемо основні фізичні характеристики гідростатичного тиску рідини.

1. Тиск рівномірно розподіляється у всій площі тіла, що у рідини.
2. Гідростатичний тиск однаково в усіх напрямках у цій точці.
3. Гідростатичний тиск залежить від форми судини з рідиною.
4. Тиск можна виміряти за допомогою спеціальних датчиків – манометрів.
5. Чим вище густина рідини, тим більше гідростатичний тиск при одній і тій же глибині занурення.

Таким чином, при збільшенні глибини занурення тиск зростає, яке величина в кожній точці однакова незалежно від напрямку.

Гідростатичний парадокс

Гідростатичним парадоксом називають явище, коли тиск рідини на дно судини не завжди дорівнює вазі рідини:

• У циліндричній посудині тиск на дно дорівнює вазі рідини.
• У посудині, що розширюється догори, тиск менше ваги.
• У судині, що звужується догори, тиск більше ваги.

Причиною виникнення феномена є те, що окрім дна рідина тисне і на бічні стінки судини. Це призводить до виникнення додаткових вертикальних складових сили тиску.

Для перевірки гідростатичного феномена можна використовувати три судини різної форми, заповнені однаковим обсягом води. Тиск на дно кожної судини буде різнитися.

Виштовхуюча сила та закон Архімеда

На тіло, занурене в рідину, діє виштовхувальна або архімедова сила, спрямована вертикально вгору. Вона чисельно дорівнює вазі витісненої тілом рідини.

Формулювання закону Архімеда:

На тіло, занурене в рідину, діє сила, що виштовхує, дорівнює ваги витісненої цим тілом рідини.

Завдяки дії сили, що виштовхує, плаваючі тіла не тонуть, а повітряні кулі і дирижаблі можуть піднімати вантажі.

Гідростатичний тиск також відіграє важливу роль у природних процесах та роботі інженерних споруд. Наприклад, саме завдяки гідростатичному тиску під впливом маси води утворюються вири та смерчі.

Явище кавітації

Кавітація - це утворення порожнин (бульбашок) у рідині при зниженні тиску. Найчастіше кавітація виникає в місцях швидкого руху рідини, наприклад, у лопатей гвинта, що обертається.

До основних наслідків кавітації відносяться:

• Шум та вібрація технічних пристроїв
• Зниження їх ресурсу та продуктивності
• Ерозія матеріалів у місцях схлопування бульбашок

Кавітації можна запобігти шляхом:

1. Зменшення швидкості потоку рідини
2. Підвищення тиску на всмоктуванні насоса
3. Застосування спеціальних покриттів поверхні

Гідростатичний тиск у побуті

Хоча гідростатичний тиск частіше пов'язаний з роботою інженерних систем, він відіграє роль і в нашому повсякденному житті:

• Забезпечує роботу водопроводу та каналізації
• Дозволяє наповнювати басейни та акваріуми водою
• Викликає неприємні відчуття у барабанних перетинках на глибині
• Змочує губку під час миття посуду

Вимірювання гідростатичного тиску

Для вимірювання гідростатичного тиску використовують спеціальні прилади – манометри. Бувають манометри механічні, електричні, цифрові.

Гідростатичний тиск в океані

В океанах і морях із глибиною різко зростає гідростатичний тиск. Наприклад, на глибині 10 км воно досягає 100 МПа - майже в 1000 разів більше за атмосферне на рівні моря.

Високий тиск ускладнює занурення підводних апаратів і впливає морських жителів, викликаючи різні адаптивні зміни у їхніх організмах.

Вплив температури на гідростатичний тиск

Температура рідини також впливає величину гідростатичного тиску. При підвищенні температури густина води зменшується, що призводить до деякого зниження тиску.

Однак цей вплив не дуже значний. Наприклад, при нагріванні води від 0 до 100 градусів її густина падає лише приблизно на 3%.Тому в більшості інженерних розрахунків зміною густини від температури нехтують.

Гідростатичний тиск та біологічні системи

У живих організмах тиск рідин також підпорядковується законам гідростатики. Наприклад, кровоносна та лімфатична системи людини працюють за рахунок різниці гідростатичного тиску.

При деяких захворюваннях (гідроцефалія) може підвищуватись тиск спинномозкової рідини, що потребує хірургічного втручання.

Рух рідин у природі

Явлення, пов'язані з гідростатичним тиском, лежать в основі багатьох природних процесів:

• Переміщення води судинами рослин
• Рух крові та лімфи у тварин
• Виникнення припливів та відливів у морях

Врахування особливостей гідростатики необхідне для розуміння та моделювання цих явищ у науках про Землю та біологію.

Міцність корпусів підводних апаратів

Важливим завданням для конструювання батискафів, підводних човнів та іншої глибоководної техніки є забезпечення міцності корпусу.

Зі збільшенням глибини занурення сотні та тисячі разів зростає гідростатичний тиск води, якому має протистояти конструкція апарату.

Гідростатичний тиск: формула, властивості та особливості

Якщо зазирнемо у словник чи «Вікіпедію», з'ясуємо, що гідростатичний тиск – це тиск сили тяжіння на рідину. Займається гідростатикою один із розділів гідравліки, де вивчаються закони рівноваги рідин та оцінюються можливості застосування цих законів на практиці.

Найважливіше про гідростатичний тиск: закон Паскаля та формула

Закон гідростатики було відкрито Паскалем у 1653 році. Звучить закон так: тиск на поверхню рідини, який передається зовнішніми силами, передається в рідини в усіх напрямках однаково.Інакше кажучи, тиск на рідина передається у напрямі дії сили, а й рівнозначно у всі інші напрями.

Цей закон виявився дуже корисним і знайшов широке застосування у промисловості. На законі Паскаля засновано роботу гідроавтоматики, яка керує автомобілями, верстатами з ЧПУ, літаками, іншими гідравлічними машинами.

Формула гідростатичного тиску виглядає так:

P = phg, де виходить, що гідростатичний тиск дорівнює перемноженню:

p – щільність рідини,

g – прискорення вільного падіння, постійна величина,

h – глибина, де потрібно визначити тиск.

Нею відбувається розрахунок гідростатичного тиску.

Важливо: величина гідростатичного тиску залежить від форми судини, де знаходиться рідина.

Особливості вимірювання гідростатичного тиску та його властивості

Облік величини гідростатичного тиску може вестись у різний спосіб. Якщо необхідно розрахувати повний або абсолютний гідростатичний тиск, що враховує атмосферний тиск, що діє поверхню рідини, величина вимірюється в абсолютних технічних атмосферах. Але часто атмосферний тиск на вільній поверхні не враховують, визначаючи манометричний чи надлишковий гідростатичний тиск — той, що діє понад атмосферний. Щоб знайти манометричний тиск, потрібно від абсолютного відняти атмосферний. Вимірюється надлишковий тиск також у технічних атмосферах, але вже надлишкових.

1. Гідростатичний тиск води завжди направлений до площі, на яку впливає, за внутрішньою нормаллю. Ця властивість обумовлена ​​тим, що в рідині, що покоїться, немає розтягуючих і дотичних зусиль.І звідси випливає: при зміні тиску в певній точці слід очікувати такої ж зміни в будь-якій іншій точці рідини.

2. У конкретній точці величина тиску не залежить від напрямку - воно однаково в усіх напрямках. Іншими словами, зовнішній тиск на вільну поверхню рідини передається у всі точки без змін.

3. На величину тиску впливає в'язкість рідини. В'язкість - властивість рідини чинити опір переміщенню однієї її частини щодо іншої. Ця властивість проявляється лише під час руху, коливання рідини та розподіляє швидкості по живому перерізу потоку.

Декілька слів про кавітаційний режим насосів

При досягненні певних умов у насосах може виникати кавітація - явище, яке створюється при зниженні гідростатичного тиску і характеризується появою бульбашок газу в рідині, що рухається. У зоні, де гідростатичний тиск підвищується, бульбашки хлопаються.

У випадку з лопатевими насосами кавітацію найчастіше можна спостерігати в зоні потоку максимальної швидкості поблизу вхідної кромки на лопатці робочого колеса. Там, де бульбашка схлопується, різко збільшується тиск - якщо в момент зхлопування бульбашка пари знаходиться на поверхні лопатки або робочого колеса, то удар впливає на цю поверхню, що рано чи пізно призведе до ерозії металу. Руйнування робочих елементів лопатевих насосів - найнебезпечніший наслідок кавітації. Крім того, кавітація викликає різкий шум техніки, тріск, вібрацію, може супроводжуватися падінням потужності, напору, подачі та ККД.

Сьогодні не існує матеріалів, які б мали абсолютну стійкість до кавітаційних руйнувань, тому не можна допускати роботу насосів у кавітаційному режимі.Основний засіб запобігання кавітації — регулювання тиску у всмоктувальному трубопроводі. Оптимальні параметри визначаються заввишки всмоктування рідини під час функціонування насоса.

Щоб визначити критичний запас кавітації, при виробництві насоса проводять кавітаційні випробування. В результаті кожен режим роботи насосного обладнання отримує кавітаційну характеристику, що визначається залежністю потужності та напору насоса від запасу кавітації.