Гидростатика

2. Гидростатическое давление. Основное уравнение гидростатики

Гидростатика ─ раздел гидравлики, в котором изучаются законы равновесия жидкостей, находящихся в покое.

Гидростатическое давление

Гидростатическое давление – это давление, которое оказывает неподвижная жидкость на дно и стенки сосуда, а также нижележащие слои жидкости.

Оно всегда направлено нормально к площадке, на которую оно действует.

Если – сила, действующая на выделенную в жидкости элементарную площадкуΔS, то среднее гидростатическое давление:

При определяется гидростатическое давление в данной точке

Давление в точке жидкости одинаково во всех направлениях.

Основное уравнение гидростатики

Рассмотрим распространенный случай равновесия жидкости, когда на нее действует только одна массовая сила ─ сила тяжести, и получим уравнение, позволяющее находить гидростатическое давление в любой точке рассматриваемого объема жидкости. Это уравнение называется основным уравнением гидростатики.

Пусть жидкость содержится в сосуде (рис. 2.1) и на ее свободную поверхность действует давление р₀ . Найдем гидростатическое давление р в произвольно взятой точке М, расположенной на глубине h. Выделим около точки М элементарную горизонтальную площадку dS и построим на ней вертикальный цилиндрический объем жидкости высотой h. Рассмотрим условие равновесия указанного объема жидкости, выделенного из общей массы жидкости. Давление жидкости на нижнее снование цилиндра теперь будет внешним и направлено по нормали внутрь объема, т.е. вверх.

M

Рисунок 2.1 ─ Схема для вывода основного уравнения гидростатики

Запишем сумму сил, действующих на рассматриваемый объем в проекции на вертикальную ось:

(2.1)

Последний член уравнения (2.1) представляет собой вес жидкости, заключенный в рассматриваемом вертикальном цилиндре объемом . Силы давления по боковой поверхности цилиндра в уравнение не входят, т.к. они перпендикулярны к этой поверхности и их проекции на вертикальную ось равны нулю. Сократив выражение наdS, и перегруппировав члены, найдем

(2.2)

Полученное уравнение называют основным уравнением гидростатики. По нему можно посчитать давление в любой точке покоящейся жидкости. Это давление, как видно из уравнения, складывается из двух величин: давления на внешней поверхности жидкости и давления, обусловленного весом вышележащих слоев жидкости.

Уравнение (1.3) можно также представить в виде

где ─ глубина погружения исследуемой точки относительно уровня свободной поверхности.

Из основного уравнения гидростатики видно, что какую бы точку в объеме всего сосуда мы не взяли, на нее всегда будет действовать давление, приложенное к внешней поверхности . Другими словамидавление, приложенное к внешней поверхности жидкости, передается всем точкам этой жидкости по всем направлениям одинаково. Это положение известно под названием закона Паскаля.

Поверхность, во всех точках которой давление одинаково, называется поверхностью уровня. В обычных условиях поверхности уровня представляют собой горизонтальные плоскости.

Избыточным (или манометрическим) давлением называется разность между полным (абсолютным) и атмосферным (барометрическим) давлением (рис. 2.2):

.

Если полное давление p меньше атмосферного p_ат, избыточное давление будет отрицательным. Отрицательное избыточное давление называется вакуумом (вакуумметрическим давлением, разрежением):

Когда давление на свободной поверхности жидкости равно атмосферному p_o = p_ат (открытый резервуар, водоем), избыточное давление будет равно:

.