Hydrostatický tlak a jeho vlastnosti

Hydrostatický tlak je vnútorné tlakové napätie v kvapaline, ku ktorému dochádza pri pôsobení vonkajších síl.

Každé tekuté teleso v rovnovážnom stave je pod vplyvom dvoch kategórií vonkajších síl: povrchových a hmotnostných.

Povrchové sily sú sily, ktoré pôsobia na povrch kvapalného telesa, napríklad tlakové sily piestu alebo piestu čerpadla, Atmosférický tlak atď.

Hmotnostné alebo objemové sily sú gravitačné, zotrvačné a odstredivé sily, ktoré sú v homogénnej kvapaline rozložené po celom objeme kvapalného telesa. Hodnota elementárnej hmotnostnej sily pôsobiacej na časticu kvapaliny je úmerná hmotnosti tejto častice.

Sily vnútorného trenia v pokojovej kvapaline sa neprejavujú.

Zoberme si tekuté telo v pokoji a mentálne ho rozdeľme pozdĺž roviny A-A na dve časti. top bude vyradený a jeho silový účinok na spodnú časť bude nahradený silou F(obr.2.1). Pevnosť F, pôsobiaca na oblasť W oddeľujúcu hornú a dolnú časť kvapalného telesa, sa nazýva hydrostatická tlaková sila.

V tomto prípade je potrebné mať na pamäti, že spodná časť pôsobí na hornú silou rovnakej veľkosti F ale opačným smerom.

Hodnota priemerného hydrostatického tlaku je určená veľkosťou sily na jednotku plochy, t.j.

Hodnota hydrostatického tlaku v ľubovoľnom bode oblasti W je určená pomerom elementárnej sily dF aplikovaný na elementárnu oblasť dw nachádza v oblasti tohto bodu.

Jednotkou SI pre hydrostatický tlak je Pascal. jeden Pa = 1 N/m2.

Hydrostatický tlak má dve hlavné vlastnosti.

Prvá vlastnosť hydrostatického tlaku.

Hydrostatický tlak vždy pôsobí pozdĺž vnútornej normály smerujúcej do oblasti pôsobenia. Toto tvrdenie možno dokázať protirečením. Predpokladajme, že vektor hydrostatického tlaku R smerované nie po normále, ale po naklonenej čiare (obr. 2.2). Poďme si to rozdeliť na normálne R n a dotyčnica R až komponentov. Normálne zložky hornej a dolnej časti tela sa vyrovnajú a tangenciálne zložky spôsobia posunutie jednej časti tekutiny voči druhej, čo je v rozpore so stavom pokoja. Preto môže byť hydrostatický tlak smerovaný len pozdĺž normály do miesta pôsobenia.

Teraz predpokladajme vektor R smeruje nie po vnútornej, ale po vonkajšej normále (obr. 2.3). Keďže kvapalina nemá schopnosť vnímať ťahové sily, dôjde k roztrhnutiu kvapalného telesa, čo je v rozpore aj s pokojovým a fyzikálne vlastnosti kvapaliny. Preto je tento predpoklad vylúčený.

Z uvedeného vyplýva, že hydrostatický tlak, smerujúci vždy do kvapaliny, je tlakový.

Druhá vlastnosť hydrostatického tlaku.

V ktoromkoľvek bode vnútri kvapaliny je hydrostatický tlak rovnaký vo všetkých smeroch a nezávisí od uhla sklonu plošiny, na ktorú v danom bode pôsobí.

Aby sme túto vlastnosť dokázali, vyčleníme v stacionárnej tekutine elementárny objem vo forme pravouhlého hranola s hranami rovnobežnými so súradnicovými osami a rovnými dx, dy, dz(obr.2.4)

Pre názornosť urobíme priemet hranola na súradnicové osi Vôl a Oz. Na kvapalinu v blízkosti zvoleného objemu nech pôsobí jednotková sila telesa, ktorej zložky sa rovnajú X, Y a Z.

Označiť podľa P až hydrostatický tlak pôsobiaci na tvár kolmú na os Vôl, cez P y tlak na tvár kolmú k osi Oj atď. Hydrostatický tlak pôsobiaci na šikmú plochu bude označený ako P n a cez oblasť tváre dw. Všetky tieto tlaky smerujú pozdĺž normál do zodpovedajúcich oblastí.

Zostavme rovnovážnu rovnicu pre pridelený objem kvapaliny najskôr v smere osi Vôl

kde je smer pôsobenia sily hmoty.

, (2.4)

(roh a dobre vzdelaný P n a os Vôl)

, (2.6)

(X je jednotková hmotnostná sila pozdĺž jeho objemu).

Hmotnosť štvorstenu sa rovná súčinu jeho objemu dW pre hustotu r, t.j.

Hydraulika sa delí na dve časti: hydrostatiku a hydrodynamiku. Hydrodynamika je rozsiahlejšia sekcia a bude sa jej venovať v nasledujúcich prednáškach. Táto prednáška sa bude zaoberať hydrostatikou.

Hydrostatický nazývaný úsek hydrauliky, ktorý sa zaoberá zákonitosťami rovnováhy tekutín a ich praktickou aplikáciou.

2.1. hydrostatický tlak

V kvapaline v pokoji vždy pôsobí tlaková sila, ktorá je tzv hydrostatický tlak. Kvapalina pôsobí silovo na dno a steny nádoby. Častice kvapaliny nachádzajúce sa v horné vrstvy zásobníka, majú nižšie tlakové sily ako kvapalné častice na dne.

Uvažujme nádrž s plochými vertikálnymi stenami naplnenou kvapalinou (obr. 2.1, a). Sila pôsobiaca na dno nádrže P rovná hmotnosti naliatej kvapaliny G = y V, t.j. P=G.

Ak táto sila P rozdeliť podľa spodnej oblasti S a B C d, potom dostaneme stredný hydrostatický tlak pôsobiace na dno nádrže.

Hydrostatický tlak má vlastnosti.

Nehnuteľnosť 1 . V ktoromkoľvek bode tekutiny je hydrostatický tlak kolmý na miesto dotyčnice zvoleného objemu a pôsobí vo vnútri uvažovaného objemu tekutiny.

Aby sme toto tvrdenie dokázali, vráťme sa k obr. 2.1, a. Vyberte plošinu na bočnej stene nádrže S strane(tieňované). Na túto oblasť pôsobí hydrostatický tlak vo forme rozloženej sily, ktorú je možné nahradiť jednou výslednicou, ktorú označujeme P. Predpokladajme, že výslednica hydrostatického tlaku P, pôsobiaca na tejto stránke, sa uplatňuje v bode ALE a smeruje k nemu pod uhlom φ (na obr. 2.1 je naznačený prerušovanou čiarou so šípkou). Potom reakčná sila steny R na kvapaline bude mať rovnakú hodnotu, ale opačný smer (plný segment so šípkou). Zadaný vektor R možno rozložiť na dve zložky vektora: normálne R n(kolmo na tieňovanú oblasť) a dotyčnica R τ k stene.

Ryža. 2.1. Schéma znázorňujúca vlastnosti hydrostatického tlaku a - prvá vlastnosť; b - druhá vlastnosť

Pevnosť normálny tlak R n vyvoláva tlakové napätia v kvapaline. Kvapalina týmto namáhaniam ľahko odoláva. Pevnosť Rτ pôsobiace na tekutinu pozdĺž steny by mala spôsobiť šmykové napätie v tekutine pozdĺž steny a častice by sa mali pohybovať smerom nadol. Ale keďže kvapalina v nádrži je v pokoji, komponent R τ chýba. Z toho môžeme usudzovať na prvú vlastnosť hydrostatického tlaku.

Nehnuteľnosť 2 . Hydrostatický tlak je konštantný vo všetkých smeroch.

V kvapaline, ktorá napĺňa nejaký zásobník, vyberieme elementárnu kocku s veľmi malými stranami Δ X, Δ r, Δ z(obr. 2.1, b). Každá z bočných plôch bude tlačená hydrostatickou tlakovou silou rovnajúcou sa súčinu zodpovedajúceho tlaku P X ,P r ,P z na elementárnych plochách. Označme vektory tlaku pôsobiace v kladnom smere (podľa uvedených súradníc) ako P" X ,P" r ,P" z a vektory tlaku pôsobiace v opačnom smere P"" X ,P"" r ,P"" z. Keďže kocka je v rovnováhe, môžeme zapísať rovnosti

P" x ∆ rΔ z=P"" x ∆ rΔ zP" r XΔ z=P"" r XΔ zP" zΔ XΔ r+γ Δ X, Δ r, Δ z=P"" zΔ XΔ r

kde γ je merná hmotnosť kvapaliny; Δ X, Δ r, Δ z je objem kocky.

Zistíme, že znížením výsledných rovnosti

P" X =P"" X ;P" r =P"" r ;P" z + γΔ z=P"" z

Člen tretej rovnice γΔ z, ako nekonečne malý v porovnaní s P" z a P"" z, možno zanedbať a potom nakoniec

P" X =P"" X ;P" r =P"" r ;P" z =P"" z

Vzhľadom k tomu, že kocka nie je deformovaná (nie je natiahnutá pozdĺž jednej z osí), treba predpokladať, že tlaky pozdĺž rôznych osí sú rovnaké, t.j.

P" X =P"" X =P" r =P"" r =P" z =P"" z

To dokazuje druhú vlastnosť hydrostatického tlaku.

Nehnuteľnosť 3 . Hydrostatický tlak v bode závisí od jeho súradníc v priestore.

Táto poloha nevyžaduje špeciálne dôkazy, pretože je zrejmé, že pri zvyšovaní poklesu bodu sa tlak v ňom zvýši a pri klesaní poklesu sa zníži. Tretiu vlastnosť hydrostatického tlaku možno zapísať ako

Hydrostatický tlak sa vzťahuje na tlak tekutiny v dôsledku gravitácie. Tento fenomén našiel uplatnenie vo fyzike, medicíne a technickom priemysle. Napríklad, krvný tlak je hydrostatický tlak, ktorému je vystavený cievy. V zásade môže byť krv nazývaná a arteriálny tlak. Je veľmi bežné pozorovať, ako sa v studni vytvára hydrostatický tlak.

Niektoré funkcie

Hydraulika má dve časti:

• hydrostatika;
• hydrodynamika.

Hydrostatika je časť hydrauliky, ktorá študuje zákony tlaku tekutiny, jej rovnovážny stav. Všetky javy navyše vyjadrujú matematické výpočty. Hydrostatický tlak je v praxi veľmi bežný, napríklad meranie tlaku.

Kvapalina v pokoji je vždy vystavená tomu, čo je známe ako hydrostatický tlak. Voda neustále tlačí na telo nádoby. Častice vody nachádzajúce sa v horných vrstvách vykazujú malú tlakovú silu v porovnaní s časticami umiestnenými v spodnej časti.

Hydrostatický tlak má niektoré charakteristické vlastnosti:

1. Každý bod vodnej hladiny je vystavený hydrostatickému pôsobeniu, ktoré je nasmerované pod uhlom 90° k oblasti dotýkajúcej sa zvoleného objemu. Pôsobenie tlaku sa vykonáva vo vnútri absolútne akéhokoľvek objemu vody.
2. Kamkoľvek smeruje hydrostatický tlak, jeho hodnota zostáva vždy rovnaká, čo potvrdili aj vykonané výpočty.
3. Priestorové súradnice žiadnym spôsobom neovplyvňujú hydrostatický tlak.
4. Typ nádrže obsahujúcej kvapalinu, ako sú studne, nemá žiadny vplyv na hydrostatický tlak. Ak chcete urobiť výpočet, musíte vynásobiť hustotu kvapaliny veľkosťou výšky nádrže a rýchlosťou voľného pádu.
5. Rovnaké množstvo kvapaliny v nádržiach rôznych tvarov, tlačí rôznou silou na dno nádoby. Keďže tento tlak priamo súvisí s veľkosťou stĺpca kvapaliny, veľmi úzke cievy sú ovplyvnené viac ako široké. Preto aj malé množstvo kvapaliny je schopné zorganizovať obrovský tlak.

Aký je tlak v studni

Keď je vrt vystavený intenzívnej výrobe, dochádza k poklesu piezometrickej úrovne. V dôsledku toho dochádza k poklesu tlaku v studni. To je samozrejme veľmi nevýhodné, ale pád vám umožňuje spôsobiť príchod horúcej vody, ktorá sa nachádza vo veľkých hĺbkach.

Keďže výpočet ukázal, že čím je voda hlbšia, tým je jej teplota vyššia, s poklesom piezometrickej hladiny v studni teplota kvapaliny stúpa. Takýto jav možno vidieť v Larderello. Tento jav má pozitívny vplyv, vďaka nemu môžete získať veľké množstvo elektriny.

Vŕtanie studní na získanie vody, ich ďalšia prevádzka vedie k porušeniu prirodzenej rovnováhy. Objavuje sa nová rovnováha, teda najnovší hydrotermálny mechanizmus. Zníženie piezometrickej úrovne ovplyvňuje tlak, začína rýchlo klesať. V dôsledku toho sa takáto vrstva snaží obsadiť vody hlbokých vrstiev, ako aj iných hydrotermálnych systémov. Preto sa voda z termálnych ložísk dá odobrať bez poškodenia studne oveľa viac, ako pochádza z prírodných zdrojov.

Tento objem kvapaliny je však skôr relatívny. Voda v studni predsa nie je nekonečná. Príde čas, keď sa voda v studni minie. Ak chcete situáciu napraviť, budete musieť prehĺbiť studňu, nainštalovať čerpadlá na dodávanie vody do studne. Tým sa podzemné teplo veľmi predraží. Preto každé pole vyžaduje presný výpočet objemu vody v studni, ktorú je možné bezbolestne odobrať zo studne.

Pri vŕtaní studní: nuansy

S vŕtaním studní je lepšie začať ešte pred stavbou domu.

Schémy studní pre káblové nárazové vŕtanie.

To ušetrí veľa peňazí a času. Voda v studni uľahčí stavbu, nebude potrebné hľadať zdroj vody.

Ak chcete začať pracovať, musíte urobiť presné rozloženie umiestnenia všetkých objektov. Vypočítajte plochu lokality, vezmite do úvahy všetky nuansy. Samozrejme, môžete vyvŕtať studňu pre už postavený dom. Dnes existuje veľa organizácií, ktoré sa špecializujú na organizáciu zásobovania vodou za akýchkoľvek podmienok. Takáto práca sa vykonáva na špeciálnom technickom zariadení.

Ako urobiť výpočet hladiny kvapaliny

• vzdialenosť od vodnej roviny k bodu, kde sa začalo meranie;
• hodnota špecifickej hmotnosti;
• veľkosť vyvinutého tlaku vonkajší vplyv na stredu.

Ak sa merania vykonávajú v úplne otvorenej nádobe, hodnota relatívneho tlaku sa musí merať pomocou prevodníka. To vám umožní ignorovať tlak, ktorý má životné prostredie. Výpočtový vzorec vyzerá takto:

h=p/(ρ*g), kde:

• p je hydrostatický tlak;
• ρ je hodnota špecifickej hustoty;
• g je veľkosť voľného pádu;
• h je veľkosť vodného stĺpca.

Ak sa používa absolútne uzavretá nádoba, používa sa napríklad na rôzne chemických látok, vykonať výpočet, vykonať presné merania je oveľa ťažšie. Vzduchová hmota, ktorá je v uzavretej nádobe, ovplyvňuje existujúcu kvapalinu, v dôsledku čoho sa vytvára dodatočný tlak.

V tomto ohľade budete musieť použiť niekoľko prevodníkov. Jeden na meranie hydrostatického tlaku a druhý na meranie účinku, ktorý vzduchová hmota vytvára nad kvapalinou. Pre takúto prácu je žiaduce, aby klasické prevodníky merali rovnaký typ tlaku, ktorým môže byť:

• príbuzný;
• absolútne.

Urobí to takmer každý. V tomto prípade bude výpočet vyzerať takto:

h=(p2-p1)/((ρ*g), kde:

• p2 je hydrostatický tlak;
• p1 je tlak plynu;
• ρ je špecifická hustota;
• g je hodnota rýchlosti voľného pádu;
• h je výška kvapaliny;
• m - úroveň.

Hydrostatická presnosť: Prednosti

Pri práci na zostavovaní meracieho systému je vždy potrebné brať do úvahy hodnoty snímača, niekedy nie sú úplne presné. Závisia od:

• špecifická hmotnosť;
• teplota okolia.

Veľkosť špecifickej hmotnosti nebude mať vždy konštantnú hodnotu. Napríklad, keď sa meria morská voda, dochádza k zvýšeniu špecifickej hmotnosti. Je to spôsobené vysokým obsahom soli.

V dôsledku toho existuje vysoký krvný tlak. Môže to byť vnímané ako zvýšenie výšky hladiny, táto hodnota sa však nemusí zmeniť. V extrémnych prípadoch sa to zmenilo minimálne.

Ak prostredie, v ktorom sa vykonávajú merania, nepodlieha žiadnym zmenám, vezmite si napríklad motorovú naftu, je dovolené ignorovať zmenu špecifickej hmotnosti.

Kolísanie teploty môže ovplyvniť veľkosť špecifickej hmotnosti. Keď dôjde k zvýšeniu teploty, dôjde k zníženiu hustoty a zvýšeniu hladiny. Hydrostatický tlak však pri zmenách hladiny nedokáže adekvátne reagovať.

Tvar nádrže má určitý vplyv na tlak každej kvapaliny. Pri meraní je možné vidieť zvýšenie hladiny v dôsledku teplotného rozdielu. Veľkosť nárazu v tomto čase môže hovoriť iba o znížení hladiny, keď expanzia nádrže smeruje nahor. Je možné, že hodnota úrovne je pravdivá alebo došlo k neúmernému zvýšeniu. Niekedy hustota stúpa v dôsledku poklesu teploty okolia, vlastnosti sa stávajú opačnými. Na vykonanie presnejšieho výpočtu je potrebné kompenzovať teplotné skoky.

Čo je tlak: charakteristika údajov

Veľkosť hydrostatickej hlavy sa vzťahuje na charakteristické vlastnosti akejkoľvek kvapaliny v pokoji. Veľkosť tlakovej sily sa zvyčajne meria v metroch.

Údaje o hlave vyzerajú takto:

• z - geometrická hlava;
• hp je piezometrická výška.

V podstate hydrostatická hlava vyjadruje veľkosť pokojovej energie akejkoľvek tekutiny. Napríklad tlaková sila, ktorá vstupuje do vodovodného systému, závisí od výšky vodnej veže. Charakteristický hp sa vzťahuje na veľkosť tlaku. Ak sa objavil pretlak, čo znamená, že sa vytvorila vo vodovode, preto tam bude veľký tlak. Kvapalina môže stúpať do akejkoľvek výšky.

Čítanie z hlavy pre rôzne body kvapalina sa vyrába z jednej horizontálnej roviny. To je potrebné na porovnanie ich pozícií. Absolútne akýkoľvek povrch možno považovať za vodorovný povrch. Ak je potrubie inštalované horizontálne, v niektorých prípadoch sa výpočet vykonáva vzhľadom na stredovú čiaru potrubia. V tomto prípade sa geometrická výška stane nulovou. Veľmi často sa výškové značky stotožňujú s absolútnymi geodetickými majákmi, ktoré sa odčítajú z priemernej hladiny svetového oceánu. U nás sa hladina meria z hladiny Baltského mora.

Najdôležitejšou vlastnosťou hydrostatickej hlavice je jej rovnaká hodnota vo vzťahu ku všetkým vodným bodom, ktoré majú hydraulické pripojenie. Výpočet dokázal, že tlaková sila je rovnaká v akejkoľvek hĺbke, hoci tlak môže byť odlišný.

V otvorenej nádrži sa dá veľmi ľahko zistiť tlak bodu na vodnej hladine. Je potrebné merať vzdialenosť od vodorovného povrchu k otvorená úroveň voda pod atmosférickým tlakom.