Методические указания. По своим физическим свойствам жидкости занимают промежуточное положение между твердыми телами и газами

По своим физическим свойствам жидкости занимают промежуточное положение между твердыми телами и газами. Жидкость, весьма мало изменяет свой объем при изменении давления или температуры; в этом отношении она сходна с твердым телом. Жидкость обладает текучестью, благодаря чему она не имеет собственной формы и принимает форму того сосуда, в котором находится. В этом отношении жидкость отличается от твердого тела и имеет сходство с газом. Свойства жидкостей и их отличие от твердых тел и газов обусловливаются молекулярным строением. Следует уяснить, каким образом особенности молекулярного строения влияют на физические свойства жидкости.

Покоящаяся жидкость подвержена действию двух категорий внешних сил: массовых и поверхностных. Массовые силы пропор­циональны массе жидкости или для однородны жидкостей—ее объему. Внешние поверхностные силы непрерывно распределены по граничной поверхности жидкости.

Следует знать, какие силы относятся к массовым (объемным) и к поверхностным силам, какие силы называются внешними ивнутренними силами.

В покоящейся жидкости может существовать только напряжение сжатия, т.е. давление. Необходимо четко представлять разницу между понятиями среднего гидростатического давления, гидростатического давления в точке, имеющими размерность напряжения.

и понятием суммарного гидростатического давления на поверхность, имеющего размерность силы.

В гидравлике при изучении законов равновесия и движения широко пользуются различными физическими характеристиками жидкости (например, плотность). Студент должен уметь дать определение основным физическим характеристикам жидкости. Следует знать размерность этих характеристик в единицах СИ и в единицах других систем. Необходимо помнить, что числовые значения физических характеристик зависят от принятой размерности.

Следует также рассмотреть основные физические свойства капельных.жидкостей: сжимаемость, тепловое расширение, вязкость и др.

Вязкостью называется свойство жидкости оказывать сопротивление относительному перемещению слоев, вызывающему деформацию сдвига. Это свойство проявляется в том, что в жидкости при ее движении возникает сила сопротивления сдвигу, называемая силой внутреннего трения. При прямолинейном слоистом движении жидкости сила внутреннего трения Т между перемещающимися один относительно другого слоями с площадью соприкосновения S определяется законом Ньютона:

или (1)

Динамический коэффициент вязкости µ не зависит от давления и от характера движения, а определяется лишь физическими свойствами жидкости и ее температурой. Как видно из (1), сила Т и касательное напряжение τ пропорциональны градиенту скорости u по нормали n к поверхности трения — который представляет собой изменение скорости жидкости в направлении нормали за еди­ницу длины нормали. Жидкости, для которых зависимость изме­нения касательных напряжений от скорости деформации отличается от закона Ньютона (1), называются неньютоновскими или аномаль­ными жидкостями.

Учет сил вязкости значительно осложняет изучение законов движения жидкости. С другой стороны, капельные, жидкости незна­чительно изменяют свой объем при изменении давления и темпера­туры. В целях упрощения постановки задач и их математического решения создана модель идеальной жидкости. Идеальной жид­костью называется воображаемая жидкость, которая характеризует­ся полным отсутствием вязкости и абсолютной неизменяемостью объема при изменении давления и температуры. Переход от иде­альной жидкости к реальной осуществляется введением в. конечные расчетные формулы поправок, учитывающих влияние сил вязкос­ти и полученных главным образом опытным путем. При изучении гидродинамики следует проследить особенности перехода от иде­альной жидкости к реальной.

В гидравлике жидкость рассматривается как сплошная среда (континуум), т. е. среда, масса которой распределена по объему непрерывно. Это позволяет рассматривать все характеристики жид­кости (плотность, вязкость, давление, скорость и др.) как функции координат точки и времени, причем в большинстве случаев эти функции предполагаются непрерывными.

Литература: [1, с. 8—15]; [2, с. 9—18]; [3, с. 9—17]; [4. с. 9—14]; [6, с. 4—12]; [8, с. 5,-10];

 

Вопросы для самопроверки

1. В чем состоит отличие жидкостей от твердых тел и газов?

2. Какова взаимосвязь между плотностью и удельным весом жидкости? Укажите их размерность в единицах СИ и в единицах других систем.

3. Что называется коэффициентом объемного сжатия жидкости? Какова его связь с модулем упругости?

4. Что называется вязкостью жидкости? В чем состоит закон

вязкого трения Ньютона?

5. В чем состоит принципиальная разница между силами внут­реннего трения в жидкости и силами трения при относительном пе­ремещении твердых тел?

6. Какова связь между динамическим и кинематическим коэф­фициентами вязкости? Укажите их размерности в единицах СИ и в единицах других систем измерения.

7. Укажите свойства идеальной жидкости. С какой целью в гид­равлике введено понятие об идеальной жидкости? В каких слу­чаях при практических расчетах жидкость можно считать идеаль­ной?