Силы, действующие в жидкости

Поскольку жидкость обладает свойством текучести и легко деформируется под действием минимальных сил, то в жидкости не могут действовать сосредоточенные силы, а возможно существование лишь сил распределённых по объёму (массе) или по поверхности. По характеру действия силы можно разделить на две категории: массовые силы и поверхностные.

Массовые силы пропорциональны массе тела и действуют на каждую жидкую частицу этой жидкости. К категории массовых сил относятся силы тяжести и силы инерции переносного движения. Величина массовых сил, отнесённая к единице массы жидкости, носит название единичной массовой силы. Таким образом, в данном случае понятие о единичной массовой силе совпадает с определением ускорения. Если жидкость, находится под действием только сил тяжести, то единичной силой является ускорение свободного падения:

где М' - масса жидкости Если жидкость находится в сосуде, движущимся с некоторым ускорением а, то жидкость в сосуде будет обладать таким же ускорением (ускорением переносного движения):

Поверхностные силы равномерно распределены по поверхности и пропорциональны площади этой поверхности. Эти силы, действуют со стороны соседних объёмов жидкой среды, твёрдых тел или газовой среды. В общем случае поверхностные силы имеют две составляющие нормальную и тангенциальную. Единичная поверхностная сила называется напряжением. Нормальная составляющая поверхностных сил называется силой давления Р, а напряжение (единичная сила) называется давлением:

где: S — площадь поверхности.

Напряжение тангенциальной составляющей поверхностной силы Т (касательное напряжение) определяется аналогичным образом (в покоящейся жидкости Т=0).

Основные свойства жидкости.

1. Плотность () — отношение массы жидкости к занимаемому объему :

2. Удельный вес () — это вес единицы объема, т. е. где — вес жидкости в объеме V. Между удельным весом и плотностью можно найти связь, если учесть что G=mg:

3. Температурное расширение.

Характеризируется температурным коэффициентом объемного расширения, представляющим собой относительное изменение объема жидкости при изменении температуры на .

4. Вязкость — свойство жидкости оказывать сопротивление относительному движению (сдвигу) ее слоев. Это свойство проявляется в том, что в жидкости при ее движении между слоями возникают касательные напряжения.

При течении вязкой жидкости вдоль твердой стенки происходит торможение потока, обусловленное вязкостью. Скорость U уменьшается по мере уменьшения расстояния y от стенки.

где: коэффициент динамической вязкости жидкости;

— приращение скорости, соответствующее приращению координаты .

Градиент скорости характеризует интенсивность сдвига жидкости в данной точке, коэффициент — вязкость капельных жидкостей и имеет Нс/м2 (Па•с).

На практике наиболее часто используется коэффициент кинематической вязкости:

().

5. Сжимаемость — свойство жидкости изменять свой объем под действием давления. Сжимаемость жидкости характеризуется коэффициентом объемного сжатия, который определяется по формуле:

где: V — первоначальный объем жидкости,.

dV — изменение этого объема, при увеличении давления на величину dP. Величина обратная вV называется модулем объемной упругости жидкости:

Модуль объемной упругости не постоянен и зависит от давления и температуры. При гидравлических расчетах сжимаемостью жидкости обычно пренебрегают и считают жидкости практически несжимаемыми. Сжатие жидкостей в основном обусловлено сжатием растворенного в них газа. Сжимаемость понижает жесткость гидропривода, т.к., на сжатие затрачивается энергия. Сжимаемость может явиться причиной возникновения автоколебаний в гидросистеме, создает запаздывание в срабатывании гидроаппаратуры и исполнительных механизмах. Иногда сжимаемость жидкостей полезна — ее используют в гидравлических амортизаторах и пружинах.