3. Уравнения движения жидкости в напряжениях

Получим общее уравнение движения жидкости, устанавливающая связь между внешними и внутренними силами, действующими на нее.

В ыделим в движущейся жид­кости поверхностью S произвольный жидкий объем V (рис. 2.5), а внутри него элементарную жидкую частицу с массой dV и поверхностью dS. К этой частице приложены массовые силы с напряжением и поверхностные силы с напряжением .

Запишем уравнение дви­жения этой частицы, обозначая ускорение ее центра тяжести :

Просуммируем левую и правую часть уравнения. Суммирование первых двух членов сводится к интегрированию по объему, а третьего члена – по площади.

Согласно третьему закону Ньютона, поверхностные силы по всем внутренним площадкам взаимно уничтожатся, и останутся только поверхностные силы по площади S, ограничивающей объем V.

.

Преобразуем третий член уравнения, используя для этого ранее полученную зависимость:

и получим:

Применим к правой части этого равенства известное преобразование Гаусса – Остроградского, устанавливающего связь между объемным и поверхностным интегралами:

Подставляя правую часть в уравнение, получим:

.

Все члены в этом уравнении интегрируются по объему. Это уравнение является уравнением движения жидкого объема в интегральной форме. Левая часть представляет главный вектор сил инерции, первый член правой части – главный вектор массовых сил, а второй – главный вектор поверхностных сил.

Получим дифференциальную форму уравнения движения, более удобную для изучения движения жидкости. Объединим все члены уравнения под знаком интеграла, перенося силу инерции в правую часть.

.

Интеграл равен нулю, когда подинтегральная функция равна нулю:

.

В итоге получим дифференциальное уравнение движения жидкости в напряжениях:

, (2.3)

которое связывает ускорение с напряжениями массовых и поверхностных сил в данной точке потока и справедливо как для вязкой, так и невязкой жидкости.

Проектируя векторное уравнение на оси координат, будем иметь:

Эта система уравнений служит для разработки гидростатики и гидродинамики вязкой и невязкой жидкости.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие силы называются массовыми? Приведите примеры.

2. Что Вы понимаете под напряжением поверхностных сил?

3. Чему равно напряжение силы тяжести?

4. Какие силы называются поверхностными? Приведите примеры.

5. Какими напряжениями характеризуются поверхностные силы?

6. Сформулируйте первое свойство напряжений поверхностных сил.

7. Сформулируйте второе свойство напряжений поверхностных сил.

8. Сформулируйте третье свойство напряжений поверхностных сил.

9. В каких случаях в жидкости не действуют касательные напряжения?

10. Что такое давление?

11. Выведите уравнение движения жидкости в напряжениях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Альтшуль А.Д., Кисилев П.Г. Гидравлика и аэродинамика. – М.: Стройиздат, 1975. – 323 с.

2. Штеренлихт Д.В. Гидравлика: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 640 с.

3. Повх И.Л. Техническая гидродинамика. – Л.: Машиностроение, 1969. – 524 с.

4. Чугаев Р.Р. Гидравлика.– Л.: Энергия, 1982. – 600 с.

МОДУЛЬ 3

ГИДРОСТАТИКА ЖИДКОСТИ

ВВЕДЕНИЕ

Гидростатика – раздел гидромеханики, изучающий равновесие жидкости. Различают абсолютное равновесие жидкости, когда из массовых сил действует только сила тяжести, и относительное равновесие, когда на жидкость, кроме сил тяжести, действуют инерционные силы. В этом случае объем жидкости может двигаться не деформируясь, то есть как абсолютно твердое тело, в то время как движение частиц жидкости друг относительно друга отсутствует.

Здесь мы рассмотрим только гидростатику несжимаемой жидкости.

СХЕМА ИЗУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛА

Тема занятия	Тип занятия	Вид (форма) занятия	Кол-во часов
1. Дифференциальное уравнение равновесия жидкости (уравнение Эйлера). Поверхности равного давления.	Изучение нового материала	Лекция	2
2. Основное уравнение гидростатики. Геометрическая и физическая интерпретация основного уравнения гидростатики.	Изучение нового материала	Лекция	2
3. Закон Паскаля и его практическое при­ложение. Графическое изображение дав­ления. Абсолютное и манометрическое давление. Приборы для измерения давления. Давление жидкости на плоские стен­ки. Давление жидкости на цилиндрические стенки. Закон Архимеда.	Изучение нового материала	Лекция	2
4. Приборы для измерения давлений. Из­мерение давления с помощью ртутного дифманометра.	Углубление и систематизация учебного материала	Лабораторная работа	2
5. Давление в покоящейся жидкости. Силы давления покоящейся жидкости на плоские стенки. Силы давления покоящейся жидкости на криволинейные стенки.	Углубление и систематизация учебного материала	Практическое занятие	4