Глава 1

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ГИДРАВЛИКИ

Гидравлика — одно из направлений единой науки механики жидкости, называемой технической гидромеханикой, изучающей вопросы равновесия и движения различных жидкостей с извест­ными допущениями и предположениями. Таким образом, гидрав­лику можно определить как прикладную науку о законах движе­ния и равновесия жидкостей, о способах применения этих зако­нов к решению конкретных технических задач. Гидравлика де­лится на две части: гидростатику, изучающую законы равновесия жидкости, находящейся в покое, и гидродинамику, изучающую законы движения жидкостей.

Гидравлика возникла как результат обобщения опыта, накоп­ленного людьми еще в глубокой древности при сооружении водое­мов и каналов. Ее развитие связано с такими именами, как Ар­химед, Леонардо да Винчи, Галилей, Паскаль, Ньютон. Большую роль в изучении законов гидравлики сыграли выдающиеся ученые Д. Бернулли, Л. Эйлер, М. В. Ломоносов, Д. И. Менделеев. Ши­роко известны работы по гидравлике Н. П. Петрова, создавшего гидродинамическую теорию смазки, Н. Е. Жуковского, выполнив­шего ряд замечательных исследований по гидродинамике, Н. Н. Павловского, разработавшего теорию неравномерного дви­жения и фильтрации жидкости, В. Г. Шухова, проводившего фундаментальные исследования по гидравлическому расчету ма­гистральных нефтепроводов, и др.

Законы гидравлики широко используют во многих областях техники. На их основе создаются и работают насосы, гидропри­воды, многие машины, аппараты и приборы, применяемые в хи­мической, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышлен­ности. Используя законы гидравлики, проектируют и строят раз­личные гидротехнические сооружения.

В нашей стране построены крупнейшие в мире каналы для промышленного и питьевого водоснабжения и ирригации, водопро­водные и канализационные системы городов и промышленных предприятий, большие водохранилища и мощные гидростанции. В них воплощены достижения отечественной гидротехники, зани­мающей одно из ведущих мест в мире.

§1.Свойства жидкостей

Свойства жидкого состояния вещества ближе к свойствам твер­дого состояния, чем к свойствам газообразного. Однако чем выше становится температура жидкости, тем больше ее свойства приб­лижаются к свойствам плотных газов. Молекулы вещества в жид­ком состоянии расположены вплотную друг к другу, как и в твердом состоянии. Объем жидкости практически не зависит от давления. Вещество в жидком состоянии сохраняет свой объем, но принимает форму сосуда, в котором находится.

Возможность свободного перемещения молекул относительно друг друга обусловливает свойство текучести жидкости.

Плотностью жидкости называют массу вещества, заключенную в единице ее объема, и определяют по формуле

p= m/V,

где ρ—плотность, кг/м³; кг—масса, кг; V—объем, м³.

С увеличением температуры жидкости ее плотность умень­шается, так как увеличивается объем. Исключением является вода, которая имеет наибольшую плотность при температуре 4°С. Плотность жидкости определяют различными способами. В производственных условиях плотность обычно измеряют спе­циальным прибором—ареометром.

Тепловое расширение жидкостей — увеличение объема жидко­сти при нагревании (исключение составляет вода) характери­зуется коэффициентом объемного расширения, который показы­вает относительное увеличение объема жидкости при повышении ее температуры на 1°С: β =∆ V/(V₀t), где ∆V—изменение объема жидкости в процессе повышения температуры; V₀—объем жидко­сти при 0°С.

Единицей коэффициента объемного расширения служит °С-¹.

Вода при нагревании от 0° до 4°С сжимается, а при охлажде­нии от 4° до 0°С расширяется.

Давлением насыщенного пара жидкости или упругостью паров называют давление, при котором устанавливается динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации вещества, и число молекул, переходящих из жидкости в пар, равно числу молекул, совершающих обратный переход. Давление насыщен­ного пара различных жидкостей в значительной степени зависит от температуры и, как правило, увеличивается с ее повышением.

Вязкость характеризует свойство жидкости оказывать сопро­тивление относительному сдвигу ее частиц, возникающих под дей­ствием сил внутреннего трения. Чем больше вязкость жидкости, тем больше силы внутреннего трения, возникающего в ней при перемещении одних слоев относительно других. Вязкость оказы­вает существенное влияние на характер течения жидкости по тру­бам и условия ее перекачки насосами.

Для количественной оценки вязкости служит динамический коэффициент вязкости р. Единица динамической вязкости— 1 Н·с/м², или 1 Па·с.

В гидравлике вязкость жидкости чаще характеризуется кине­матическим коэффициентом вязкости v, который равен отношению динамического коэффициента вязкости жидкости к ее плотности: v=µ/ρ. Единица кинематической вязкости - м²/с. В физической системе единиц кинематическую вязкость выражают в стоксах (Ст). Сотая часть стокса называется сантистоксом (сСт).

Практическое значение имеет относительная вязкость жидко­сти, выраженная в градусах Знглера. Градус Энглера (°Е) есть отношение времени истечения определенного объема жидкости ко времени истечения через то же отверстие такого же объема жидкости. По стандарту единицей относительной вязкости назы­вается градус условной вязкости (°βУ), численно равный градусу Энглера. Как правило, при повышении температуры вязкость жидкости уменьшается.