Гидравлика изучает законы равновесия и движения жидкостей. В основу изучения и установления важнейших законов гидравлики положено понятие идеальной жидкости. В отличие от реальной она считается абсолютно несжимаемой, не изменяющей свой объем под воздействием температуры и не обладающей вязкостью. Это понятие вводится в гидравлике для того, чтобы легче было применять законы механики и физики к жидкостям.
Основные физические понятия, употребляемые в гидравлике, — масса, плотность, удельный объем и другие — не отличаются от понятий, принятых в физике, термодинамике, технической механике.
Жидкостью называется физическое тело, весьма мало изменяющее свой объем при изменении давления или температуры и обладающее текучестью, благодаря чему она не имеет собственной формы и принимает форму того сосуда, в котором находится.
Рассмотрим физические свойства реальной жидкости.
Сцепление — свойство жидкости сопротивляться растягивающим и разрывающим усилиям. Это свойство у разных жидкостей различно и зависит от величины сил, «связывающих» молекулы этих жидкостей. Сцеплением объясняется поверхностное натяжение в жидкостях, возможность образования капель и т. д.
Смачивание — способность жидкости прилипать к твердым телам. Это явление обусловлено силами сцепления между жидкостью и твердым телом, причем эти силы должны быть больше сил сцепления между молекулами самой жидкости, в противном случае смачивания не будет.
Вязкость — свойство жидкости сопротивляться внутренним перемещениям частиц при ее движении.
Сжимаемость — свойство жидкости уменьшаться в своем объеме под действием внешних сил.
Различают следующие виды движения жидкости:
— турбулентное — частицы жидкости беспорядочно перемешиваются;
— ламинарное — частицы жидкости не перемешиваются (это движение называется также слоистым или трубчатым);
— установившееся — при котором скорость и давление в каждой точке занятого жидкостью пространства остаются неизменными с течением времени;
— неустановившееся — скорость и давление во всем занятом жидкостью объеме или в его части со временем изменяются;
— одноразмерное — величина скорости и давления жидкости изменяется только в одном направлении (величиной изменения их в других направлениях пренебрегают).
Средняя скорость потока — это скорость, с которой должны были бы двигаться все частицы жидкости через живое сечение потока так, чтобы расход был равен расходу, проходящему через это сечение при действительном распределении скоростей.
Расход жидкости — весовое или объемное ее количество, протекающее через поперечное сечение потока в единицу времени.
Живое сечение потока жидкости представляет собой поверхность поперечного сечения потока, расположенную перпендикулярно средней скорости.
Свободная поверхность жидкости—это поверхность раздела между жидкостью и газообразной средой.
Сплошностью потока в гидравлике называют неразрывное перемещение частиц жидкости, движущихся сплошной массой. Во всех сечениях таких потоков расход их будет одинаков.
Гидродинамическое давление жидкости — это сила, действующая на единицу площади поверхности. Гидродинамическое давление относится к жидкости, которая находится в движении. Если речь идет о жидкости, находящейся в состоянии покоя, то давление в этом случае называется гидростатическим. Давление измеряется отношением единицы силы к единице площади и высотой столба жидкости, выраженной в линейных единицах (м, см, мм). Если давление измеряется высотой столба жидкости, то термин «давление» заменяется терминами «напор» или «пьезометрическая высота».
Рис. 1. Скорость в сечениях неразрывного потока
Рассмотрим наиболее часто встречающиеся в гидравлике соотношения между единицами измерения. Если из трубки, закрытой с одного конца, выкачать воздух и, наполнив водой, опустить ее открытый конец в чашу с водой, то высота столба воды в трубке от уровня жидкости в чаше будет составлять 10,33 м вод. ст. Указанная высота столба жидкости уравновешивается нормальным давлением атмосферы (наружного воздуха) на свободную поверхность жидкости в открытой чаше.
Таким образом, атмосферное давление равно гидростатическому напору или пьезометрической высоте, равной 10,33 м вод. ст., т. е. физ. атм = 1,033 кгс/см2. Техническая атмосфера соответствует пьезометрической высоте или гидростатическому напору водяного столба высотой в 10 м.
Если трубку вместо воды наполнить ртутью, то давление атмосферы будет уравновешиваться высотой столба ртути.
Разрежением (вакуумом) называют недостачу давления до атмосферного.
Рис. 2. Сосуд с постоянным напором