Рідина й сили діючі на неї

Коротка історія розвитку гідравліки

Історично гідравліка є однією із самих стародавніх наук у світі. Археологічні дослідження показують, що ще за 5000 років до нашої ери в Китаї, а потім в інших країнах стародавнього світу знайдені описи обладнання різних гідравлічних споруджень, представлені у вигляді малюнків (перших креслень). Природно, що ніяких розрахунків цих споруджень не проводилося, і всі вони були побудовані на підставі практичних навичок і правил.

Перші вказівки про науковий підхід до розв'язання гідравлічних завдань відносяться до 250 року до н.е., коли Архімедом був відкритий закон про рівновагу тіла, зануреного в рідину. Потім протягом 1500 років особливих змін гідравліка не одержувала. Наука в той час майже зовсім не розвивалася, утворювався свого роду застій. І тільки в XVI-XVII століттях нашої ери в епоху Відродження, або як говорять історики Ренесансу, з'явилися роботи Галілея, Леонардо да Вінчі, Паскаля, Ньютона, які створили серйозну підставу для подальшого вдосконалювання гідравліки як науки.

Однак тільки основні роботи академіків Петербурзької академії наук Данила Бернуллі й Леонарда Ейлера, що жили в XVIII столітті, створили міцний фундамент, на якому ґрунтується сучасна гідравліка. В XIX-XX століттях істотний внесок у гідродинаміку вніс "батько російської авіації" Микола Єгорович Жуковський.

Роль гідравліки в сучасному машинобудуванні важко переоцінити. Будь-який автомобіль, літальний апарат, морське судно не обходиться без застосування гідравлічних систем. Додамо сюди будівництво гребель, дамб, трубопроводів, каналів, водозливів. На виробництві просто не обійтися без гідравлічних пресів, здатних розвивати колосальні зусилля. А от цікавий факт із історії будівництва Ейфелевої вежі. Перед тим як остаточно встановити багатотонну металоконструкцію вежі на бетонні основи, їй додали строго вертикальне положення за допомогою чотирьох гідравлічних пресів, встановлених під кожну опору.

Гідравліка переслідує людину всюди: на роботі, вдома, на дачі, у транспорті. Сама природа підказала людині будову гідравлічних систем. Серце - насос, печінка - фільтр, нирки - запобіжні клапани, кровоносні судини - трубопроводи, загальна довжина яких у людському організмі близько 100 000 км. Наше серце перекачує за добу 60 тонн крові (це ціла залізнична цистерна!).

 

Рідиною в гідравліці називають фізичне тіло здатне змінювати свою форму при впливі на неї навіть самих малих сил. Розрізняють два види рідин: рідини капельні й рідини газоподібні (мал.1.2). Капельні рідини являють собою рідини у звичайному, загальноприйнятому розумінні цього слова (вода, нафта, гас, масло і т.п.). Газоподібні рідини - гази, у звичайних умовах являють собою газоподібні речовини (повітря, кисень, азот, пропан і т.д.).

 

Мал. 1.2. Види рідин

 

Основною відмінною рисою капельних і газоподібних рідин є здатність стискуватися (змінювати об’єм) під впливом зовнішніх сил. Капельні рідини (надалі просто рідини) важко піддаються стисканню, а газоподібні рідини (гази) стискуються досить легко, тобто при впливі невеликих зусиль здатні змінити свій об’єм у кілька разів (мал.1.3).

 

Мал. 1.3. Стискання рідин і газів

 

У гідравліці розглядаються реальна й ідеальна рідини. Ідеальна рідина на відміну від реальної рідини не має внутрішнього тертя, а також тертя по стінках сосудів і трубопроводів, по яких вона рухається. Ідеальна рідина також має абсолютну нестисливість. Така рідина не існує в дійсності, і була придумана для полегшення й спрощення ряду теоретичних висновків і досліджень.

На рідину постійно впливають зовнішні сили, які розділяють на масові й поверхневі.

Масові: сили тяжіння й інерції. Сила тяжіння в земних умовах діє на рідину постійно, а сила інерції тільки при повідомленні об’єму рідини прискорень (позитивних або негативних).

Поверхневі: обумовлені впливом сусідніх об’ємів рідини на даний обсяг або впливом інших тел.

Розглянемо сосуд, наповнений рідиною. Якщо виділити в ньому нескінченно малий об’єм рідини, то на цей об’єм будуть діяти сили з боку сусідніх таких самих нескінченно малих об’ємів (мал.1.4). Крім цього на вільну поверхню рідини діє сила атмосферного тиску Pатм і сили з боку стінок сосуду.

 

Мал. 1.4. Поверхневі сили

 

Якщо на рідину діє якась зовнішня сила, то кажуть, що рідина перебуває під тиском. Звичайно для визначення тиску рідини, викликаного впливом на неї поверхневих сил, застосовується формула

(Н/м2) або (Па),

де F - сила, що діє на рідину, Н (ньютони);
S - площа, на яку діє ця сила, м² (кв. метри).

Якщо тиск Р відраховують від абсолютного нуля, то його називають абсолютним тиском Рабс. Якщо тиск відраховують від атмосферного, то воно називається надлишковим Ризб. Атмосферний тиск постійний Ра = 103 кПа (мал.1.5).

 

Мал. 1.5. Схема до визначення тисків

 

За одиницю тиску в Міжнародній системі одиниць (СИ) прийнятий паскаль – тиск, що викликається силою 1 Н, рівномірно розподіленої по нормальній до неї поверхні площею 1 м?:

1 Па = 1 Н/м² = 10ˉ3 кПа = 10-6 МПа.

Розмірність тиску позначається як "Па" (паскаль), "кПа" (кілопаскаль), "МПа" (мегапаскаль). У техніці в цей час продовжують застосовувати систему одиниць МКГСС, у якій за одиницю тиску приймається 1 кгс/м².

1 Па = 0,102 кгс/м²або 1 кгс/м² = 9,81 Па.