Каков физический смысл уравнений равновесия эйлера

Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера

В объеме жидкости, находящейся в покое, выделим элементарный параллелепипед объемом dV с ребрами dx, dy и dz, расположенными парал­лельно осям координат х, у и z (рис. II-2). Сила тяжести, действующая на параллелепипед, выражается произведением его массы dm на ускорение свободного падения g, т.е. равна gdm. Сила гидростатического давления на лю­бую из граней параллелепипеда равна произведению гидростатического давления р на площадь этой грани. Будем считать, что давление р является функцией всех трех координат; р = f (x, у, z). Выясне­ние вида этой функции, т.е. закона распределения гидростатического давле­ния по объему жидкости, и является на­шей задачей.

Согласно основному принципу статики, сумма проекций на оси координат всех сил, действующих на элементарный объем, находящийся в равновесии, равна нулю. В противном случае происходило бы перемещение жидкости.

Рассмотрим сумму проекций сил на ось z. Сила тяжести направлена вниз, параллельно оси z. Поэтому при выбранном положительном направ­лении оси z (см. рис. II-2) сила тяжести будет проектироваться на эту ось со знаком минус:

-gdm = -grdV = — rgdxdydz

Рис. II-2. К выводу дифференциальных уравнений равновесия Эйлера.

Сила гидростатического давления действует на нижнюю грань парал­лелепипеда по нормали к ней, и ее проекция на ось z равна p dx dy. Если изменение гидростатического давления в данной точке в направлении оси z равно , то по всей длине ребра dz оно составит . Тогда гидростати­ческое давление на противоположную (верхнюю) грань равно и проекция силы гидростатического давления на ось z

Проекция равнодействующей силы давления на ось z

Сумма проекций сил на ось z равна нулю, т.е.

(II,14)

или, учитывая, что объем параллелепипеда dxdydz = dV ¹ 0 (величина, заведомо не равная нулю), получим

Проекции сил тяжести на оси х и у равны нулю. Поэтому сумма проек­ций сил на ось х

откуда после раскрытия скобок и сокращения находим

(II,14a)

Соответственно для оси у

Таким образом, условия равновесия элементарного параллелепипеда выражаются системой уравнений:

(II,15)

Уравнения (II, 15) представляют собой дифференциальные уравнения равновесия Эйлера.

Для получения закона распределения давления во всем объеме покоя­щейся жидкости следует проинтегрировать систему уравнений (II, 15), Интегралом этих уравнений является основное уравнение гидростатики, широко используемое в инженерной практике.

Дата добавления: 2016-02-16 ; просмотров: 1755 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Кратко о гидродинамике: уравнения движения

Написав предыдущий пост, исторический и отчасти рекламный (хотя потенциальные абитуриенты такое вряд ли читают), можно перейти и к разговору «по существу». К сожалению, высокой степени популярности описания добиться вряд ли получится, но всё же постараюсь не устраивать курс сухих лекций. Хотя, от сухости избавиться не удалось, да и пост писался в результате ровно месяц.

В нынешней публикации описаны основные уравнения движения идеальной и вязкой жидкости. По возможности кратко рассмотрен их вывод и физический смысл, а также описаны несколько простейших примеров их точных решений. Увы, этими несколькими примерами доступные аналитически решения уравнений Навье-Стокса в значительной мере исчерпываются. Напомню, что Институт Клэя отнёс доказательство существования и гладкости решений к проблемам тысячелетия. Гении уровня Перельмана и выше — задача вас ждёт.

Понятие сплошной среды

В, если можно так выразиться, «традиционной» гидродинамике, сложившейся исторически, фундаментом является модель сплошной среды. Она отвлекается от молекулярной структуры вещества, и описывает среду несколькими непрерывными полевыми величинами: плотностью, скоростью (определяемой через суммарный импульс молекул в заданном элементе объёма) и давлением. Модель сплошной среды предполагает, что в любом бесконечно малом объёме содержится ещё достаточно много частиц (как принято говорить, термодинамически много — числа, близкие по порядку величины к числу Авогадро — 10 23 шт.). Таким образом, модель ограничена снизу дискретностью молекулярной структуры жидкости, что в задачах типичных пространственных масштабов совершенно несущественно.

Однако, такой подход позволяет описать не только воду в пробирке или водоёме, и оказывается куда более универсальным. Поскольку наша Вселенная на больших масштабах практически однородна, то, как ни странно, она начиная с некоторого масштаба превосходно описывается как сплошная среда, с учётом, конечно же, самогравитации.

Другими, более приземлёнными применениями сплошной среды являются описание свойств упругих тел, динамики плазмы, сыпучих тел. Также можно описывать топлу людей как сжимаемую жидкость.

Параллельно с приближением сплошной среды, в последние годы набирает обороты кинетическая модель, основанная на дискретизации среды на небольшие частицы, взаимодействующие между собой (в простейшем случае — как твердые шарики, отталкивающиеся при столкновении). Такой подход возник в первую очередь благодаря развитию вычислительной техники, однако существенно новых результатов в чистую гидродинамику не превнёс, хотя оказался крайне полезен для задач физики плазмы, которая на микроуровне не является однородной, а содержит электроны и положительно заряженные ионы. Ну и опять же для моделирования Вселенной.

Уравнение неразрывности. Закон сохранения массы

Самый элементарный закон. Пусть у нас есть какой-то совершенно произвольный, но макроскопический объём жидкости V, ограниченный поверхностью F (см. рис.). Масса жидкости внутри него определяется интегралом:

И пусть с жидкостью внутри него не происходит ничего, кроме движения. То есть, там нет химических реакций и фазовых переходов, нет трубок с насосами или чёрных дыр. Ну и всё происходит с маленькими скоростями и для малых масс вещества, потому никакой теории относительности, искривления пространства, самогравитации жидкости (она становится существенна на звёздных масштабах). И пусть сам объём и границы еего неподвижны. Тогда единственное, что может изменить массу жидкости в нашем объёме — это её перетекание через границу объёма (для определённости — пусть масса в объёме убывает):

где вектор j — поток вещества через границу. Точкой, напомним, обозначается скалярное произведение. Поскольку границы объёма, как было сказано, неподвижны, то производную по времени можно внести под интеграл. А правую часть можно преобразовать к такому же, как слева, интегралу по объёму по теореме Гаусса-Остроградского.

В итоге, в обеих частях равенства получается интеграл по одному и тому же совершенно произвольному объёму, что позволяет приравнять подинтегральные выражения и перейти к дифференциальной форме уравнения:

Здесь (и далее) использован векторный оператор Гамильтона. Образно говоря, это условный вектор, компоненты которого — операторы дифференцирования по соответствующим координатам. С его помощью можно очень кратко обозначать разного рода операции над скалярами, векторами, тензорами высших рангов и прочей математической нечистью, основные среди которых — градиент, дивергенция и ротор. Не буду останавливаться на них детально, поскольку это отвлекает от основной темы.

Наконец, поток вещества равен массе, переносимой через единичную площадку за единицу времени:

Окончательно, закон сохранения массы (называемый также уравнением неразрывности) для сплошной среды таков:

Это выражение наиболее общее, для среды, обладающей переменной плотностью. В реальности, эксперимент свидетельствует о крайне слабой сжимаемости жидкости и практически постоянном значении плотности, что с высокой точностью позволяет применять закон сохранения массы в виде условия несжимаемости:

которое с не менее хорошей точностью работает и для газов, пока скорость течения мала по сравнению со звуковой.

Уравнение Эйлера. Закон сохранения импульса

Весь относительно громоздкий процесс колдовства преобразования интегралов, использованный выше, даёт нам не только уравнение неразрывности. Точно такие же по сути преобразования позволяют выразить законы сохранения импульса и энергии, и получить в итоге уравнения для скорости жидкости и для переноса тепла в ней. Однако пока не будем сильно торопиться, и займёмся не просто сохранением импульса, а даже сохранением импульса в идеальной несжимаемой жидкости — т.е. рассмотрим модель с полным отсутствием вязкости.

Рассуждения практически те же самые, только теперь нас интересует не масса, а полный импульс жидкости в том же самом объёме V. Он равен:

При тех же самых условиях, что и выше, импульс в объёме может меняться за счёт:

• конвективного переноса — т.е. импульс «утекает» вместе со скоростью через границу
• давления окружающих элементов жидкости
• просто за счёт внешних сил, например — от силы тяжести.

Соответствующие интегралы (порядок отвечает списку) дают такое соотношение:

Начнём их преобразовывать. Правда, для этого нужно воспользоваться тензорным анализом и правилами работы с индексами. Конкретнее, к первому и второму интегралам применяется теорема Гаусса-Остроградского в обобщённой форме (она работает не только для векторных полей). И если перейти к дифференциальной форме уравнения, то получится следующее:

Крестик в кружочке обозначает тензорное произведение, в данном случае — векторов.

В принципе, это уже уравнение Эйлера, однако его можно чуток упростить — ведь закон сохранения массы никто не отменял. Раскрыв здесь скобки в дифференциальных операторах и приведя затем подобные слагаемые, мы увидим, что три слагаемых благополучно собираются в уравнение неразрывности, и потому дают в сумме ноль. Итоговое уравнение оказывается таким:

Если перейти в систему отсчёта, связанную с движущейся жидкостью (не будем заострять внимание на том, как это делается), мы увидим, что уравнение Эйлера выражает второй закон Ньютона для единицы объёма среды.

Учёт вязкости. Уравнение Навье-Стокса

Идеальная жидкость, это, конечно, хорошо (правда, всё равно точно не решается), но во многих случаях учёт вязкости необходим. Даже в той же конвекции, в течении жидкости по трубам. Без вязкости вода вытекала бы из наших кранов с космическими скоростями, а малейшая неоднородность температуры в воде приводила бы к её крайне быстрому и бурному перемешиванию. Потому давайте учтём сопротивление жидкости самой себе.

Дополнить уравнение Эйлера можно различными (но эквивалентными, конечно же) путями. Воспользуемся базовой техникой тензорного анализа — индексной формой записи уравнения. И пока также отбросим внешние силы, чтобы не путались под руками / под ногами / перед глазами (нужное подчеркнуть). При таком раскладе всё, кроме производной по времени, можно собрать в виде дивергенции одного такого тензора:

По смыслу, это плотность потока импульса в жидкости. К нему и нужно добавить вязкие силы в виде ещё одного тензорного слагаемого. Поскольку они явно приводят к потере энергии (и импульса), то они должны вычитаться:

Идя обратно в уравнение с таким тензором, мы получим обобщённое уравнение движения вязкой жидкости:

Оно допускает любой закон для вязкости.

Принято считать очевидным, что сопротивление зависит от скорости движения. Вязкость же, как перенос импульса между участками жидкости с различными скоростями, зависит от градиента скорости (но не от самой скорости — тому мешает принцип относительности). Если ограничиться разложением этой зависимости до линейных слагаемых, получится вот такой жутковатый объект:

в котором величина перед производной содержит 81 коэффициент. Однако, используя ряд совершенно разумных предположений об однородности и изотропности жидкости, от 81 коэффициента можно перейти всего к двум, и в общем случае для сжимаемой среды, тензор вязких напряжений равен:

где η (эта) — сдвиговая вязкость, а ζ (зета или дзета) — объёмная вязкость. Если же среда ещё и несжимаема, то достаточно одного коэффициента сдвиговой вязкости, т.к. второе слагаемое при этом уходит. Такой закон вязкости

носит название закона Навье, а полученное при его подстановке уравнение движения — это уравнение Навье-Стокса:

Точные решения

Главной проблемой гидродинамики является отсутствие точных решений её уравнений. Как бы с этим ни боролись, но получить действительно всеобщих результатов не удаётся до сих пор, и, напомню, вопрос существования и гладкости решений уравнений Навье-Стокса входит в список Проблем тысячелетия института Клэя.

Однако, несмотря на столь грустные факты, некоторые результаты есть. Здесь будут представлены далеко не все, а лишь самые простые случаи.

Потенциальные течения

Особый интерес представляют течения, в которых жидкость не завихряется. Для такой ситуации можно отказаться от рассмотрения векторного поля скорости, поскольку она выражается через градиент скалярной функции — потенциала. Потенциал же удовлетворяет хорошо изученному уравнению Лапласа, решение которого полностью определяется тем, что задано на границах рассматриваемой области:

Более того, при отсутствии вязкости из уравнения Эйлера можно однозначно выразить и давление, что вовсе замечательно и приводит нас к полному решению задачи. Ах, если бы так было всегда… то гидродинамики, наверное, уже бы и не было как современной и актуальной отрасли.

Дополнительно можно упростить задачу предположением, что течение жидкости двумерно — скажем, всё движется в плоскости (x,y), и ни одна частица не перемещается вдоль оси z. Можно показать, что в таком случае скорость может быть также заменена скалярной функцией (на этот раз — функцией тока):

которая при потенциальном течении удовлетворяет условиям Коши-Лагранжа из теории функций комплексной переменной и воспользоваться соответствующим математическим аппаратом. Полностью совпадающим с аппаратом электростатики. Теория потенциальных течений развита на высоком уровне, и в принципе хорошо описывает большой спектр задач.

Простые течения вязкой жидкости

Решения для вязкой жидкости чаще всего удаётся получить, когда из уравнения Навье-Стокса благодаря свойствам симметрии задачи выпадает нелинейное слагаемое.

Сдвиговое течение Куэтта

Самая элементарная задачка. Канал с неподвижной нижней и подвижной верхней стенкой, которая движется равномерно с некоторой скоростью. На границах жидкость прилипает к ним, так что скорость жидкости равна скорости границы. Этот результат является экспериментальным фактом, и как-то даже авторы первых экспериментов не упоминаются, просто — по совокупности экспериментов.

В такой ситуации от уравнения Навье-Стокса останется уравнение вида v» = 0, и потому профиль скорости в канале окажется линейным:

Данная задача является практически базовой для теории смазки, т.к. позволяет непосредственно определить силу, которую требуется приложить к верхней стенке для её движения с конкретной скоростью.

Течение Пуазейля

Вторая по элементарности — ламинарное течение в канале. Или в трубе. Результат оказывается один — профиль скорости является параболическим:

На основе решения Пуазейля можно определить расход жидкости через сечение канала, но, правда, только при ламинарном течении и гладких стенках. С другой стороны, для турбулентного потока и шероховатых стенок точных решений нет, а есть лишь приближённые эмпирические закономерности.

Стекание слоя жидкости по наклонной плоскости

Тут — почти как в задаче Пуазейля, только верхняя граница жидкости будет свободной. Если предположить, что по ней не бегут никакие волны, и вообще сверху нет трения, то профиль скорости будет практически нижней половинкой предыдущего рисунка. Правда, если из полученной зависимости вычислить скорость течения для средней равнинной речки, она составит около 10 км/с, и вода должна самопроизвольно отправляться в космос. Наблюдаемые в природе низкие скорости течения связаны с развитой завихренностью и турбулентностью потока, которые эффективно увеличивают вязкость воды примерно в 1 млн. раз.

В следующем посте планируется рассказать о законе сохранения энергии и соответствующих ему уравнениях переноса тепла при течении жидкости.

Диф-ые уравнения равновесия жидкости.

Дифференциальные уравнения равновесия покоящейся жидкости иначе называют дифференциальными уравнениями Эйлера. Они получены для общего случая относительного покоя жидкости. Возможны следующие варианты относительного покоя.

Первый вариант соответствует абсолютному покою или равномерному движению сосуда с жидкостью. Такой вариант рассматривался при выводе основного уравнения гидростатики.

Второй вариант – вращение сосуда с жидкостью с постоянной угловой скоростью Й вокруг центральной оси. Несмотря на то, что вся масса жидкости вращается вместе с сосудом, частицы жидкости друг относительно друга не перемещаются, следовательно, весь объём жидкости, как и в первом случае, представляет собой как бы твёрдое тело. Давление в каждой точке жидкости не меняется во времени и зависит только от координат. По этим причинам жидкость подпадает под определение покоящейся.

Третий вариант аналогичен второму, только вращение осуществляется вокруг произвольно расположенной вертикальной оси. Во втором и третьем случае свободная поверхность жидкости принимает новую форму, соответствующую новому равновесному положению жидкости.

В четвёртом варианте сосуд с жидкостью движется прямолинейно и равноускоренно. Такой случай проявляется, например, в процессе разгона или остановки автоцистерны с жидкостью. В этом случае жидкость занимает новое равновесное положение, свободная поверхность приобретает наклонное положение, которое сохраняется до изменения ускорения. Частицы жидкости друг относительно друга находятся в покое, и давление зависит только от координат.

11. Основное уравнение гидростатики.Основным законом (уравнением) гидростатики называется уравнение [1] :

,

— гидростатическое давление (абсолютное или избыточное) в произвольной точке жидкости,

— плотность жидкости,

— ускорение свободного падения,

— высота точки над плоскостью сравнения (геометрический напор [2] ),

— гидростатический напор [3] .Уравнение показывает, что гидростатический напор во всех точках покоящейся жидкости является постоянной величиной.Иногда основным законом гидростатики называют принцип Паскаля [4] .
12-13. Геометрический и энергетический смысл основного уравнения гидростатики.
Геометрический смысл уравнения (4):
— величина z фиксиру­ет положение точки по отношению к плоскости хОу, называемой плос­костью сравнения.
— ординату z называют высотой положения, или геометрической высотой.
При р = р₀ имеем z = z₀.
Очевидно, что величина р/у имеет линейную размерность.
Она представляет собой высоту, на которую жидкость может поднять­ся под влиянием давления. Эту высоту можно измерить. если поместить в жидкость вертикальную закрытую сверху трубку, из которой пол­ностью выкачан воздух.
Высоту р/у называют высотой давле­н и я, или приведенной высотой.
Она представляет собой высоту стол­ба жидкости, вес которого при давлении, равном нулю на его свобод­ной поверхности, уравновешивает давление в данной точке жидкости.
Чтобы пояснить энергетический смысл членов уравнения (4), введем понятие удельной энергии. Энергию, отнесенную к единице веса жидкости, называют удельной энергией.
Размерность удельной энергии равна размерности энергии (работы), деленной на размерность силы.Единица удельной энергии [Е] — м. Часть удельной потенциальной энергии частицы жидкости, зависящая только от ее положения относи­тельно условной горизонтальной плоскости, количественно равной z, называется удельной энергией положения час­тицы.
Часть удельной потенциальной энергии частицы жидкости, зависящую только от ее давления, количественно равную р/у, называют удельной энергией давления частицы
Сумма представляет собой удельную потенциальную энергию частицы.
Наряду с этими понятиями в гидравлике широко использует­ся понятие напора.
Так, величину z называют геометрическ и м напором в данной точке жидкости, а сумму z+р/γ=Н — гидростатическим напором.
Перепишем уравнение (3) в виде
p — p₀ = γ (z₀ — z) = γh откуда
p = p₀ + γh , (5)
где h — глубина погружения частицы жидкости под ее поверхность.
Это уравнение, так же как и (4), называют основным уравнением гидростатики. Разница между ними только в системе отсчета вертикальных расстояний (z и h).
Форма уравнения (4) удобна при изуче­нии движения жидкости, так как сумма z + р/γ входит в уравнение движения жидкости.
Форма уравнения (5) удобна в расчетах давле­ния на поверхности и в методике измерения давления в жидкости.
Величина р является абсолютным, или полным, давлением, р₀ — внеш­ним (начальным) давлением. Произведение γh — вес столба жидкости высотой h с площадью основания, равной единице.
Поэтому γh можно назвать весовым давлением.Единицей давления, входящего в формулу (5), является паскаль (Па).
14. Закон Паскаля. Закон Паскаля формулируется так:Давление,производимое на покоящуюся жидкость или газ, передается в любую точку жидкости или газа одинаково по всем направлениям.Гидростатическое давление жидкости зависит от плотности р жидкости, от ускорения g свободного падения и от глубины h, на которой находится рассматриваемая точка. Оно не зависит от формы столба жидкости. Глубина h отсчитывается по вертикали от рассматриваемой точки до уровня свободной поверхности жидкости.В условиях невесомости гидростатическое давление в жидкости отсутствует, так как в этих условиях жидкость становится невесомой. Внешнее давление характеризует сжатие жидкости под действием внешней силы. Оно равно:
15.Избытачное и вакууметрическое давление.
Вакууметрическое давление: если абсолютное давление в точке атмосферного, то это превышение называется избыточным (нанометрическим) давлением.
16.Поверхность равного давления. Выделим в ж-ти, к. нах-ся в равновесии, бесконечно малый объем в виде параллелепипеда с ребрами dx,dy,dz. Складывая сумму проекций сил давления, массовых сил(X- проекция массовой силы на ось)на рассматриваемую ось, получим: pdydz-(p+d1pdx/d1x)dydz+ ρdxdydzX=0 После упрощения: (-d1p/ ρd1x)+X=0 Аналогично:(-d1p/ ρd1y)+Y=0, (-d1p/ ρd1z)+Z=0 Почленно умножив 1е ур-е на ρdx, 2е на ρdy, 3е на ρdz, получим основное ур-е гидростатики: dp= ρ(Xdx+Ydy+Zdz)[1]. В общем виде это ур-е интегрируется так: p=ρП+С, где П- некоторая потенциальная ф-я. В частных случаях в зависимости от конкретных Z,X,Y находим значение П,С и p. Из [1] можно получить ур-е для пов-ти равного давления. При p=const, ρ=const, dp=0 и тогда Xdx+Ydy+Zdz=0
17.Сила давления жидкости на плоские поверхности.Угол=90 градусов, ж-ть давит на пов-ть с площ. ω во всех точках, но давление неравномерное (в верхних

Эпюра абсолютного гидростатического давления представляет собой трапецию, а эпюра избыточного — треугольник (рис. а).

Если плоская стенка, на которую действует жидкость, наклонена к горизонту под углом a (рис. б), то основное уравнение гидростатики принимает следующий вид:

Таким образом, эпюры абсолютного и избыточного гидростатического давления на наклонную стенку представляют собой соответственно наклонную трапецию и наклонный треугольник.
Если плоская стенка, на которую с двух сторон оказывает воздействие жидкость, вертикальна, то на нее будут действовать параллельные и противоположно направленные силы гидростатического давления. Эпюра гидростатического давления на вертикальную стенку представляет собой вертикальную трапецию.
Эпюра гидростатического давления на горизонтальное дно резервуара представляет собой прямоугольник, так как при постоянной глубине избыточное давление на дно постоянно.
19. Сила давления жидкости на криволинейные поверхности
При определении силы давления жидкости на криволинейные поверхности заранее неизвестны:
*координаты точки приложения этой силы;
*направление действия рассчитываемой силы.
Поэтому в данном случае расчет силы давления проводится путем геометрического сложения ранее определенных ее трех составляющих. Каждая из составляющих параллельна одной из координатных осей:




где проекции площади криволинейной поверхности на вертикальные плоскости, перпендикулярные осям х и у;
глубина погружения центров тяжести этих проекций от пьезометрической плоскости (свободной поверхности жидкости);
объем тела давления.
Тело давления – объем жидкости, заключенный между криволинейной поверхностью, ее проекцией на пьезометрическую плоскость (свободную поверхность) и вертикальными проектирующими плоскостями, проходящими через границы криволинейной поверхности.
Тело давления может принимать как знак плюс, так и минус. Соответственно и составляющая может быть направлена или вверх, или вниз.
Тело давления, заполняемое жидкость, называется действительным, в отличие от фиктивного тела давления, которое заполняется жидкостью условно. Фиктивное тело давления иногда называют телом выпора.
Если на часть криволинейной поверхности жидкость давит сверху вниз, а на другую часть снизу вверх, то тело давления определяется как сумма тел давления на каждую часть криволинейной поверхности с соответствующими знаками.
На практике криволинейные поверхности часто являются цилиндрическими. Это поверхности:
*труб водопровода и канализации;*резервуаров;*сегментных затворов.
В случаях цилиндрической поверхности, когда ось у параллельна образующей криволинейной поверхности
Направление равнодействующей силы давления характеризуется углом наклона ее к горизонту
20. Сила давления жидкости на цилиндрические поверхности.
Рассмотрим давление жидкости на цилиндрическую поверхность.
В этом случае достаточно знать горизонтальную Р_ги вертикальную составляющую Р_всилы Р.

Суммарное давление на элементарную площадь dFравно:dР = p dF
Разложим его на горизонтальную dР_ги вертикальную dР_всоставляющие. Получим:
dР_г = dP ∙ cos α = p dF ∙ cos α
где α — угол между направлением сил dРи dР_г
Принимаем во внимание только избыточное давление:
Р_г = γh dF ∙ cos α,где h —расстояние по вертикали, показанное на рисунке.
Величина dF соs α = dF_в -проекция элементарной площади dF на вертикальную площадь, поэтому:dP_г = γh dF_воткуда: Интеграл входящий в это выражение, есть статический момент площа­ди, след которой изображен прямой АС. Поэтому: Р_г =γh_с F_в(1)
где h_с — расстояние от поверхности жидкости до центра тяжести фигуры F_в, представляющей собой вертикальную проекцию цилиндрической поверх­ности.Из формулы (1) следует: горизонтальная составляющая суммар­ного давления жидкости на цилиндрическую поверхность равна сум­марному давлению на её вертикальную проекцию.
Вертикальная составляющая равна:
dР_в = dР sin α = p dF sin α Так как Fsin α = dF_г — горизонтальная проекция элементарной площади dF, то:dР_в = р dF_г =γh dF_г
Величина hdF_г есть элементар­ный объем dVцилиндра, имеющего высоту h и основание dF_г.В случае, изображенном на рис. (а), этот объём заполнен жидкостью и вертикальная составляющая dР_внаправлена вниз. В случае, показан­ном на рис. (б), объем dV не заполнен жидкостью, поэтому его мож­но назвать фиктивнымэлементарным объёмом. В этом случае составляющая dР_внаправлена вверх. Выражение для dР_в представим в виде:
dР_в = γ dV откуд Р_в = γ V (2)
где V = bF_АBC;F_АBC —площадь треугольника, у которого одна сторона АВкриволинейная.
Объем Vназывают телом давления.
Из формулы (2) следует: вертикальная составляющая суммарного давления жидкости на цилиндрическую поверхность равна весу жидкости γV в объёме тела давления.
В зависимости от ориентации поверхности тело давления может быть действительным (положительным) и фиктивным (отрица­тельным).
В случае действительного тела давления (а) вертикальная составляющая Р_в направлена вниз, а в случае фиктив­ного тела давления — вверх (рис. б). Суммарное давление равно:
Сила Р_г проходит через точку, расположенную на расстоянии 2 /₃ глубины воды от свободной поверхности.
Сила Р_впроходит через центр тяжести треугольника АВС, который находят с помощью криволинейных медиан. Равнодействующая Р пройдёт через точку пересечения направления действия сил Р_г и Р_впод углом β к горизонтальной поверхности, где:tg β = Р_в / Р_г
21. Толщина стенки цилиндрической трубы, находящейся под избыточным давления.
Рассмотрим вопрос о нахождении допускаемого давления жидкости в трубе круглого сечения.
Мысленно разделив трубу на две части вертикальной (диаметральной) плоскостью, запишем, как определяется сила избыточного давления жидкости на одну половину трубы длиной L:

Эта сила уравновешивается двумя силами, приложенными к стенкам трубы в местах условного разреза, каждая из которых находится как: ,где растягивающее напряжение в стенках трубы; толщина стенки трубы. Таким образом,

Если напряжение в стенках трубы будет равно предельно- допускаемому, то допускаемое давление в трубе:
Для заданного избыточного давления в трубопроводе и материале трубы, можно найти толщину стенки трубы:
22. Плавучесть и остойчивость плавающих тел.
S
Если бы это равенство не соблюдалось, то тело бы начало двигаться.
Верт. Силы давления BAD и BCD- силы тяжести тел давления опираются на эти поверхности.
Результирующая сила:
Т.о на погруженное в жидкости тело действует вертикальная сила(вверх),равная силе тяжести жидкости в объем тела(з-н Архимеда)
Если G>P-тело тонет и наоборот.
При всплытии объем вытесненный телом воды меняется от W до W1. Всплытие прекратится, когда P=G.
Водоизмещение-сила тяжести жидкости в объеме воды погруженной в нее части тела.
Ватерлиния-линия ∩свободной поверхности жидк с боковой поверхностью плавающего тела.
При плавании тело может отклоняться по сторонам. Остойчивость-способность тела восстанавливать первоначальное положение.
Условия остойчивости: Лиия действия силы Р ∩ ось плавания в точке М, называется метацентром.
-расстояние от точки М до центра водоизмещения D (метацентрический радиус)
P и G обр пару сил. Если метацентр ниже центра тяжести →тело опрокидывается(неостойчивое плавание)
Метацентрический радиус: , где — момент инерции плоскости плавания относительно оси О-О1, W- водоизмещение.
23. Понятие об установившемся и неустановившемся движении жидкости. Неустановившееся движение – такое, при котором в любой точке потока скорость движения и давление с течением времени изменяются, т.е. u и P зависят не только от координат точки в потоке, но и от момента времени, в который определяются характеристики движения т.е.:

и .

Примером неустановившегося движения может являться вытекание жидкости из опорожняющегося сосуда, при котором уровень жидкости в сосуде постепенно меняется (уменьшается) по мере вытекания жидкости.
Установившееся движение – такое, при котором в любой точке потока скорость движения и давление с течением времени не изменяются, т.е. u и P зависят только от координат точки в потоке, но не зависят от момента времени, в который определяются характеристики движения:

и ,

и, следовательно, , , , .
24.Линия тока и элементарная струйка.
Геометрические представления о движении жидкости можно получить с помощью выкторных линий, назыв линиями тока.
Линия тока-линия в каждой точке которой в данный момент времени соответ-ет определ система линий тока, вид расположение которых характеризует поле скоростей.
В турбулентном режиме линии тока имеют расхождения. При установившемся движении значения и направления скоростей не изменяются во времени и линии тока совпадают с траекториями движения частиц жидкости.Линии тока не могут пересекаться. Они дают фотографический снимок с картин распр-я в жидкости векторов.
Поверхность, образ-я линиями тока, проведенными через все точки какой-либо заданной линии наз поверхностью тока.
Часть движ-ия жидкости,огр поверхностью тока, подведенной в данное мгновение черз все точки бескнонечно малого замкнутого контура,наход-я в обл,занятой жидкостью, наз элеметарной струйкой.
через боковую поверхность элементарной струйки жидкость не перетекает. В каждой точке поверхности скорости напр-ия по нормалям и в пределах этой бесконечно малой поверхности принимает одинаковые значения.
Живые сечения струйки(элементарной) –ее нормальное(поперечное) сечение.
Площадь живого сечения может изменятся по длине струйки.
25.Поток жидкости, расход и средняя скорость потока.
Ввиду 2 /2g.
Связь между скоростью ии высотой h_ииспользована для конструирова­ния приборов, позволяющих из­мерять скорости течения жидкос­ти, а также и воздуха, или же скорости движения тела в воде или воздухе.
Такие приборы на­зывают гидрометрическими, или напорными, трубками.
Простей­шая гидрометрическая трубка 1 (см. рис. 3.5) неудобна в работе, так как отсчет h_и приходится делать в непосредственной близости от воды. Этот недостаток устраняется, если соединить в один прибор трубки напорную (динамическую) 2 и пьезометрическую (статическую) 4.
Плоскость нижнего среза статической трубки параллельна направле­нию скорости.
Если понизить давление в обеих трубках отсосом воздуха через трубку 3, оба уровня поднимутся, но h_ипри этом не. изменится.
Зная h_и, легко подсчитать скорость: Разли­чают два основных типа гидрометрических трубок:
— трубка Пито — напорная трубка Г — образной формы, открытый конец которой, имеющий обтекаемую форму, воспринимает полное давление.