2. Давление жидкости на дно и стенки сосуда

В соответствии с законом Паскаля гидростатическое давление на уровне горизонтального дна сосуда при высоте жидкости в сосуде, равной Н,

(1.7)

Отсюда следует, что абсолютное давление рна горизонтальное дно не зависит от формы сосуда и объема жидкости в нем. При данной плотности жидкости оно определяется лишь высотой столба жидкостиНи внешним давлениемр₀.

Сила давления жидкости Р_жна дно сосуда зависит от его площадиF:

(1.8)

Общая сила давления на дно сосуда

(1.9)

Внешнее давление р₀передается жидкостью каждому элементу поверхности стенки одинаково, поэтому равнодействующая внешнего давления приложена в точке центра тяжести поверхности стенки. Давление веса жидкости на стенку не одинаково по высоте: чем глубже расположен элемент стенки, тем большее давление веса жидкости он испытывает. Поэтому центр давления жидкости на вертикальную стенку расположен всегда ниже центра тяжести смоченной поверхности стенки.

Сила полного гидростатического давления на плоскую стенку равна произведению гидростатического давления в центре тяжести этой стенки и ее площади:

(1.10)

где – расстояние от верхнего уровня жидкости до центра тяжести смоченной поверхности стенки; оно зависит от геометрической формы стенки.

Сила избыточного давления (собственно жидкости) Р_избна стенку

Точка приложения сил РиР_избносит название центра давленияh_ди может быть определена в соответствии с законами теоретической механики через момент инерции смоченной поверхности стенки

(1.11)

где J_x– момент инерции стенки относительно осиox.

Для прямоугольной стенки при уровне жидкости в сосуде, равном Н, и ширине стенкиВ

Следовательно,

3. Практическое использование законов гидростатики

Применив закон Паскаля к сообщающимся сосудам, можно прийти к следующим выводам.

Если сосуды (рис. 1.4 а) заполнены однородной жидкостью (одинаковой плотности), то при равновесии давление в точке 0 может быть выражено:

либо,

т.е. в сообщающихся сосудах заполняющая их однородная жидкость располагается на одинаковом уровне.

При заполнении сосудов жидкостями с различной плотностью (рис 1.4 б) в условиях равновесия давление в точке О будет

либо.

Рисунок 1.4 – Сообщающиеся сосуды, заполненные жидкостью: а– одной плотности;б– разной плотности

Следовательно , т.е.

. (1.12)

Соотношение (1.12) указывает на то, что высоты уровней жидкости, отсчитываемые от поверхности раздела, обратно пропорциональны плотностям жидкостей.

Этот принцип используется для измерения уровня жидкости в закрытых аппаратах с помощью водомерных стёкол, в жидкостных манометрах.

Если сообщающиеся сосуды заполнены одной и той же жидкостью, но давление над уровнем жидкости в них разное – р₁ир₂, то при равновесии

,

,

откуда

. (1.13)

Последнее выражение используется при измерении давления или разности давлений между различными точками с помощью дифференциальных U-образных манометров.

Рисунок 1.5. – К определению высоты гидравлического затвора

Этот же принцип используется для определения высоты гидравлического затвора в аппаратах, заполненных жидкостью (рис. 1.5).

На рисунке представлен сосуд, заполненный двумя жидкостями с плотностями ₁и₂; уровень их раздела на глубинеz₁необходимо поддерживать в процессе работы постоянным с помощью гидрозатвора, представляющего собойU-образную трубку, подсоединённую снизу (на выходе жидкости из аппарата).

В соответствии с уравнением (1.12) высота гидравлического затвора в случае одинакового давления над жидкостью внутри аппарата и на выходе из затвора

. (1.14)

На использовании данного уравнения гидростатики основана работа таких простейших гидравлических машин, как гидравлический пресс, мультипликатор (для повышения давления), домкрат, подъемник и др.

Рисунок 1.6 – Схема гидравлического пресса

На рис. 1.6 показана схема гидравлического пресса. Если к поршню П₁, имеюшему площадьF₁, приложена силаР₁, то эта сила будет передаваться на жидкость; жидкость же будет давить на поршень П₂, имеющий площадьF₂, с силойР₂

(1.15)

так как гидростатические давления в точках площади F₁и площадиF₂практически равны между собой:

(1.16)

Из уравнения (1.16) следует, что при помощи пресса сила Р₁увеличивается во столько раз, во сколько площадьF₂больше площадиF₁.