Давление и свойства жидкости: основы гидростатики и единицы измерения

Давление и свойства жидкости: основы гидростатики

1. Давление: единицы измерения

Давление – это сила, действующая перпендикулярно на единицу площади поверхности.

Основные единицы измерения:

• В системе СИ: Паскаль (Па). 1 Па = 1 Н/м².

• Широко используются:

  • Бар: 1 бар = 10⁵ Па = 100 000 Па.

  • Техническая атмосфера (ат): 1 ат = 1 кгс/см² ≈ 0,98 бар.

  • Метр водяного столба (м вод. ст.): 1 м вод. ст. ≈ 0,1 ат.

  • Миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.): 1 мм рт. ст. ≈ 133,3 Па.

2. Свойства жидкости

Свойства делятся на механические и физические. Основные для гидравлики:

А) Механические (определяющие поведение под нагрузкой):

1. Текучесть (вязкость) – способность сопротивляться сдвигу. Характеризуется коэффициентом динамической (µ) или кинематической (ν) вязкости.

2. Сжимаемость – изменение объема под действием давления. Для капельных жидкостей очень мала, для газов – значительна.

3. Плотность (ρ) – масса единицы объема [кг/м³].

Б) Физические:

1. Удельный вес (γ) – вес единицы объема. γ = ρ·g.

2. Температурное расширение – изменение объема при изменении температуры.

3. Поверхностное натяжение – свойство поверхности жидкости сокращаться.

Важное для расчетов: В гидравлике часто используется модель идеальной (невязкой и несжимаемой) жидкости для упрощения, но в реальных расчетах обязательно учитывают вязкость и, реже, сжимаемость.

3. Основное уравнение гидростатики

Это уравнение описывает распределение давления в покоящейся жидкости.

Формула:
p = p₀ + ρ·g·h
или, через удельный вес:
p = p₀ + γ·h

Где:

• p – давление в точке на глубине h [Па],

• p₀ – давление на свободной поверхности жидкости (например, атмосферное) [Па],

• ρ – плотность жидкости [кг/м³],

• g – ускорение свободного падения [м/с²],

• γ = ρ·g – удельный вес жидкости [Н/м³],

• h – глубина погружения точки под свободной поверхностью [м].

Смысл и следствия:

1. Давление в покоящейся жидкости растет линейно с глубиной.

2. Давление в любой точке зависит только от глубины h и не зависит от формы сосуда. (Гидростатический парадокс).

3. Поверхности равного давления (изобарические поверхности) в поле силы тяжести представляют собой горизонтальные плоскости.