Давление жидкости на плоские стенки кратко
Давление жидкости на плоские стенки
Рассмотрим жидкость, покоящуюся относительно Земли. Выберем в жидкости горизонтальную площадку w. Все точки этой площадки находятся на одинаковой глубине и испытывают одинаковое давление со стороны покоящейся жидкости. Если свободная поверхность жидкости открыта в атмосферу (р = рат), то сила избыточного давления на площадку w определяется по формуле:
,
то есть численно равна весу жидкости, заключенной в вертикальной призме основанием w и высотой h.
Сила Ризб направлена со стороны жидкости перпендикулярно стенке. Линия действия силы пересекает площадку w в центре тяжести, так как давление распределено по площадке равномерно.
При равенстве давлений на свободную поверхность жидкости в сосудах р (рис. 3.14), плотностей r, площадей основания w и глубин h независимо от формы сосуда сила давления на горизонтальное дно будет одной и той же (гидростатический парадокс).
Рис. 3.14. Гидравлический парадокс
Рассмотрим плоскую стенку с площадью смоченной части ω, наклоненную к горизонту под углом q (рис. 3.15). Гидростатическое давление жидкости не остается постоянным в пределах смоченной части стенки. Разбив площадь w на элементарные площадки dw и считая в пределах dw давление р неизменным, выразим значение силы давления dР на элементарную площадку как
dР = рdw.
Вектор dР направлен со стороны жидкости по нормали к площадке. Суммарное воздействие жидкости сведется к равнодействующей силе Р, значение которой определяется по соотношению:
. (3.13)
Так как расстояние l, измеряемое по стенке от линии уреза воды (от оси OY) до элементарной площадки dw, равно , то при получим:
.
Интеграл представляет собой статический момент площади w относительно оси OY, то есть в данном случае относительно линии уреза жидкости. Статический момент равен произведению площади w на плечо lц.т. момента:
.
Выражение (3.13) примет вид:
.
Сила давления покоящейся жидкости на плоскую наклонную стенку равна произведению площади w на давление жидкости в центре тяжести смоченной части стенки. Сила направлена со стороны жидкости по нормали к стенке.
При р = рат сила избыточного давления равна:
.
Далее силу избыточного давления (при р= рат) будем обозначать Р (без индекса).
Линия действия силы Р пересекает площадку в точке D (см. рис. 3.15), которая называется центром давления.
Центр давления не совпадает с центром тяжести площади w, поэтому необходимо определять координаты центра давления.
Сила Р= рw, связанная с действием в каждой точке смоченной площади w одного и того же давления р, приложена в центре тяжести смоченной площади (точке С). Сила Р приложена в другой точке, не совпадающей с точкой С.
Если необходимо найти точку приложения суммарной силы Рабс, то ее определяют по правилу сложения сил.
Обычно для расчетов гидротехнических сооружений представляет интерес сила избыточного давления Р (при р = рат) и координаты точки ее приложения.
Пусть рассматриваемая площадь w имеет ось симметрии (линия 0l на рис. 3.15). Тогда центр давления D будет расположен на оси симметрии и для определения его положения достаточно найти расстояние от линии уреза жидкости до точки D, то есть lц.д.
Воспользуемся теоремой моментов: момент равнодействующей относительно произвольной оси силы равен сумме моментов составляющих сил относительно той же оси.
За ось моментов в данном случае примем линию уреза жидкости, то есть ось OY. Тогда
. (3.14)
подставим эти значения в (3.14):
, (3.15)
где Jy – момент инерции смоченной площади w относительно оси, совпадающей с линией уреза жидкости (оси OY).
. (3.16)
Перенесем ось момента инерции в центр тяжести площади. Моменты инерции относительно параллельных осей связаны между собой соотношением:
где J – момент инерции смоченной площади относительно оси, проходящей параллельно линии уреза жидкости через центр тяжести С этой площади.
Подставив значение Jy в (3.16), получим:
,
где – статический момент смоченной площади относительно линии уреза жидкости.
93.79.221.197 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.
Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно
Сила давления жидкости на плоскую стенку
Рассмотрим произвольную площадку ds, расположенную на плоской наклонной стенке сосуда с жидкостью на расстоянии Y от оси X, и определим силы, действующие на эту площадку. Сила от давления, действующего на элементарную площадку dS, будет описываться формулой:
Если проинтегрировать это выражение по площади, можно определить полную силу, действующую на всю площадь целиком
Из рисунка ясно, что в последнем выражении .Подставив значение h в предыдущее выражение, будем иметь:
Из теоретической механики известно, что интеграл есть ни что иное, как статический момент площади S относительно оси X. Он равен произведению этой площади на координату её центра тяжести, т.е. можно записать
Подставив формулу момента в выражение силы, получим:
Анализ второго слагаемого показывает, что произведение это глубина положения центра тяжести площадки, а— избыточное давление жидкости в центре тяжести площадки. С учётом этого можно записать
Сумма в скобках в последнем выражении является абсолютным давлением в центре тяжести рассматриваемой произвольной площадки. Таким образом, можно сделать вывод: полная сила давления жидкости на плоскую стенку равна произведению её площади на величину гидростатического давления в центре тяжести этой стенки.
Однако необходимо учесть, что эта сила не сконцентрирована в точке, а распределена по площади. И распределение это неравномерно. По этой причине для расчётов, кроме величины силы действующей на наклонную площадку, необходимо знать точку приложения равнодействующей.
Центр давления
Распределённую нагрузку, действующую на наклонную стенку, заменим сконцентрированной. Для этого найдём на наклонной стенке положение точки D, в которой приложена равнодействующая силы давления. Точку, в которой приложена эта сила, называют центром давления. Как уже неоднократно рассматривалось, давление, действующее в любой точке, в соответствии с основным уравнением гидростатики складывается из двух частей: внешнего давления P, передающегося всем точкам жидкости одинаково, и давления столба жидкости P, определяемого глубиной погружения этой точки.
Давление P передаётся всем точкам площадки одинаково. Следовательно, равнодействующая Fвн этого давления будет приложена в центре тяжести площадки S. При этом надо учитывать, что в большинстве случаев это давление действует и со стороны жидкости и с наружной стороны стенки.
Давление P увеличивается с увеличением глубины. При этом величина равнодействующей этой силы Fизб известна и равна
,
а точку её приложения необходимо определить.
Для нахождения центра избыточного давления жидкости применим уравнение механики, согласно которому момент равнодействующей силы относительно осиX равен сумме моментов составляющих сил, т.е.
Заменив в этом выражении Fизб и YD интегралом, в соответствии с упомянутым уравнением механики, будем иметь:
Отсюда выразим YD при этом
Интеграл в числителе дроби является статическим моментом инерции площади S относительно оси X и обычно обозначается Jx
.
Из теоретической механики известно, что статический момент площади относительно оси вращения равен сумме собственного момента инерции (момента инерции этой площади относительно оси проходящей через её центр тяжести и параллельной первой оси) и произведению этой площади на квадрат расстояния от оси вращения до центра её тяжести
.
С учётом последнего определения YD окончательно можно выразить в виде:
.
Таким образом, разница в положениях ∆Y (глубинах) центра тяжести площадки (т. C) и центра давления (т. D) составляет
.
В итоге можно сделать следующие выводы. Если внешнее давление действует на стенку с обеих сторон, то найденная точка D будет являться центром давления. Если внешнее давление со стороны жидкости выше давления с противоположной стороны (например, атмосферного), то центр давления находится по правилам механики как точка приложения равнодействующей двух сил: силы, создаваемой внешним давлением, и силы, создаваемой весом жидкости. При этом, чем больше внешнее давление, тем ближе располагается центр давления к центру тяжести.
В гидроприводе технологического оборудования внешние давления в десятки и сотни раз превышают давления, вызванные высотой столба жидкости. Поэтому в расчётах гидравлических машин и аппаратов положение центров давления принимаются совпадающими с центрами тяжести.
Графическим изображением изменения гидростатического давления вдоль плоской стенки служат эпюры давления (рис. ). Площадь эпюры выражает силу давления, а центр тяжести эпюры — это точка, через которую проходит равнодействующая сила давления.
При построении эпюр учитывают, что давление направлено нормально к стенке, а уравнение Р = Ро + yh, характеризующее распределение гидростатического давления по глубине, является уравнением прямой.
Чтобы построить эпюры давления на вертикальную стенку, откладывают в выбранном масштабе давление по горизонтальному направлению, совпадающему с направлением сил давления (на поверхности жидкости и у дна), соединив концы этих отрезков прямой линией.
Рис. Примеры построения эпюр давления на стенку:
Эпюра абсолютного гидростатического давления представляет собой трапецию, а эпюра избыточного — треугольник (рис. а).
Если плоская стенка, на которую действует жидкость, наклонена к горизонту под углом (рис. б), то основное уравнение гидростатики принимает следующий вид:
Таким образом, эпюры абсолютного и избыточного гидростатического давления на наклонную стенку представляют собой соответственно наклонную трапецию и наклонный треугольник.
Если плоская стенка, на которую с двух сторон оказывает воздействие жидкость, вертикальна, то на нее будут действовать параллельные и противоположно направленные силы гидростатического давления. Эпюра гидростатического давления на вертикальную стенку представляет собой вертикальную трапецию.
Эпюра гидростатического давления на горизонтальное дно резервуара представляет собой прямоугольник, так как при постоянной глубине избыточное давление на дно постоянно.
Давление жидкости на плоскую стенку
Задача определения сил давления жидкости на плоскую стенку заключается в определении равнодействующей P сил давления (рис.7.1) на плоскую стенку, ее направления и точки приложения.
Рис. 7.1 Силы, действующие на плоскую стенку
Рассмотрим вертикальную прямоугольную стенку. Пусть ширина стенки равна B, уровень жидкости в сосуде H, а площадь смоченной поверхности рассматриваемой стенки равна S = BH.
Из основного уравнения гидростатики, записанного применительно к избыточному давлению любой точки жидкости,
следует, что эпюра давления pизб представляет собой прямоугольный треугольник. Причем максимальное избыточноедавление на стенку равно давлению на дно сосуда
а давление на уровне центра тяжести плоской стенки (точка С) равно
pc= 0,5pmax= 0,5rgH, (7.3)
Учитывая переменный характер давления жидкости по высоте, выделим на текущей глубине h элементарную площадку dS= Bdh и определим элементарную силу давления жидкости на эту площадку
Для определения силы давления на всю смоченную поверхность полученное выражение проинтегрируем от 0 до H:
Формула (7.4) справедлива для плоских стенок любой формы и с любым углом наклона стенки к горизонту.
Очевидно, что направление действия равнодействующей для плоской стенки всегда совпадает с направлением элементарных сил гидростатического давления. Так как эти силы всегда нормальны к плоской стенке, то и равнодействующая сила будет также нормальной.
Точка приложения равнодействующей силы давления p называется центром давления. Центр давления (точка О) в общем случае не совпадает с центром тяжести плоской стенки (точка С) и находится на глубине, соответствующей расположению центра тяжести площади эпюры давлений (см. рис. 7.1). В рассматриваемом случае центр давления находится на глубине
Если рассматривать дно сосуда, центр тяжести и центр давления совпадают.
Сила гидростатического давления на плоскую поверхность.
Избыточная сила гидростатического давления на плоскую стенку равна давлению в центре тяжести стенки, умноженному на её площадь.
— глубина погружения точки А или С над свободной поверхностью.
- 1 — ое слагаемое обусловлено внешним давлением.
- 2 — ое слагаемое обусловлено только давлением жидкости.
Сила приложена к центру тяжести, а приложена в центре давления в точке D.
Вес жидкости налитой в сосуд может отличаться от силы давления на дно сосуда. Это явление получило название гидростатический парадокс или парадокс Паскаля.
Эпюры нормального гидростатического напряжения — это графическое изображение распределения нормального гидростатического напряжения на рассматриваемой поверхности.
В общем случае точки С и D не совпадают.
Центр давления лежит ниже центра тяжести на величину
— момент инерции плоской фигуры относительно центра оси, т.е. оси, проходящей через точку Ц.
Центр давления всегда совпадает для горизонтальных стенок.
Для вертикальной стенки центр давления находится на глубине
Сила давления на криволинейные стенки находится по правилу
— проекции на соответствующие оси.
гидравлический парадокс — при разEных формах сосудов, если на свободную поверхностьоказывается одно и тоже р0, то при равенстве плотEностей с, площадей щ и высот h давление, оказываеEмое на горизонтальное дно, одно и то же.
Давление жидкости на плоскую стенку
При расчете резервуаров и различных емкостей для хранения жидкостей требуется знать полное давление жидкости на ограничивающие ее твердые стенки и точку приложения равнодействующей сил давления. Пусть задана плоская вертикальная стенка АВ (рис. 1.9).
Гидростатическое давление жидкости на всей площади поверхности стенки складывается из суммы гидростатических давлений во всех ее точках и называется суммарным давлением жидкости. Для определения этого давления необходимо установить, как оно распределяется по поверхности тела, на которое воздей-
Рис. 1.9. К определению силы гидростатического давления на плоскую поверхность:
а — эпюра гидростатического давления; б — положение центров тяжести и давления на плоской прямоугольной стенке
ствует жидкость. Графическое изображение распределения давления по высоте тела, например стенки, называется эпюрой гидростатического давления (см. рис. 1.9, а).
Гидростатическое давление в точке жидкости, расположенной на любой глубине от свободной поверхности, может быть определено по формуле (1.21)
Поверхностное давление в открытом сосуде, равное атмосферному давлению р0 = /?атм, передается в любую точку жидкости без изменения и является постоянным. Избыточное гидростатическое давление рgh пропорционально глубине погружения точки, т. е. изменение его значения по глубине подчинено линейному закону.
Атмосферное давление ратм, действующее на свободную поверхность жидкости и полностью передающееся в любую точку на стенке внутри жидкости, уравновешивается таким же атмосферным давлением, действующим снаружи на стенку сосуда. Поэтому при расчете стенок на прочность и устойчивость определяют и учитывают только избыточное давление р = рgh.
Эпюра избыточного гидростатического давления на вертикальную стенку сосуда приведена на рис. 1.9, а. Избыточное давление в точке А равно р = 0 (/? = 0), а в точке В — р = рgh.
В каждой точке жидкости давление нормально к поверхности стенки, поэтому на нормали к точке В откладываем в принятом масштабе отрезок BE, равный рgh, и соединяем прямой с точкой А. Треугольник АВЕ показывает распределение избыточного гидростатического давления по высоте стенки.
Каждая ордината этого треугольника представляет собой избыточное давление в соответствующей точке стенки, а площадь треугольника — силу суммарного избыточного давления жидкости на стенку в перпендикулярной ей плоскости. Если эту площадь умножить на ширину стенки Ь, то получим силу гидростатического давления, действующую на стенку сосуда:
Однако = hc, hb = F, следовательно
где F — площадь стенки, находящейся под поверхностью жидкости; hc — глубина погружения центра тяжести плоской поверхности (точка Сна рис. 1.9).
Сила избыточного давления, оказываемая на плоскую стенку, находящуюся под воздействием жидкости, равна произведению площади смоченной поверхности стенки на избыточное гидростатическое давление в ее центре тяжести. Это правило распространяется и на полное суммарное давление, и на любую плоскую фигуру, погруженную в жидкость. При учете поверхностного давления абсолютное суммарное давление, действующее на стенку, расчитывается по формуле:
Полная сила давления жидкости на плоскую стенку равна произведению площади стенки на гидростатическое давление рс в центре тяжести этой площади. Формула (1.28) справедлива и для любой наклонной плоскости с произвольными очертаниями.
Рис. 1.10. Гидростатический парадокс
Если стенка расположена горизонтально, т. е. является горизонтальным дном сосуда, то полная сила давления на дно Ран определяется по формулам
где h — высота столба жидкости над дном; F — площадь дна.
Сила давления на дно Рт зависит лишь от плотности жидкости, высоты столба жидкости и площади дна и не зависит от формы дна и объема сосуда, т. е. для сосудов разной формы давление на дно будет одинаковым, если они имеют одинаковую площадь дна и наполнены одинаковой жидкостью до одного и того же уровня. Это явление называется гидростатическим парадоксом, (рис. 1.10).
Точка приложения равнодействующей силы давления на стенку называется центром давления. Центр давления расположен ниже центра тяжести (точки С) (см. рис. 1.9). Только на горизонтальной стенке (дно сосуда) центр давления совпадает с центром тяжести. Положение центра давления легко определять графически. Равнодействующая сила давления проходит через центр тяжести эпюры. Проекция этого центра на плоскость стенки и есть центр давления. Для прямоугольной стенки равнодействующая силы гидростатического давления и центр давления находятся на расстоянии /?/3 от основания или 2/3/? от поверхности жидкости.
Координата центра давления yD, т. е. расстояние от свободной поверхности жидкости до центра давления, измеряемое вдоль стенки, может быть определена по формуле
где ус — расстояние от центра тяжести площади смоченной поверхности стенки до свободной поверхности жидкости, измеряемое вдоль стенки; / — момент инерции площади смоченной поверхности стенки относительно оси, проходящей через ее центр тяжести; F — площадь смоченной поверхности стенки.
Сила давления жидкости на криволинейную стенку.
Силы давления жидкости на поверхности произвольной формы в общем случае определяются, тремя составляющими суммарной силы и тремя моментами.
При действии жидкости на цилиндрические или сферические поверхности, имеющие вертикальную плоскость симметрии, сила давления жидкости сводится к равнодействующей силе, лежащей в плоскости симметрии. Возьмем криволинейную поверхность АВ, образующая которой перпендикулярна к плоскости чертежа (рис.3.12а), определим силу давления жидкости на эту поверхность.
Рис.3.12. Определение сил давления на криволинейную стенку; а) жидкость внутри сосуда; б) жидкость вне сосуда.
Выделим объем жидкости, ограниченный поверхностью АВ, вертикальными плоскостями, проведенными через границы этого участка ВС и AD, свободной поверхностью жидкости. Рассмотрим условия равновесия объема АВСD в вертикальном и горизонтальном направлениях.
Сила давления жидкости F действует на стенку АВ, стенка АВ удерживает действие жидкости силой реакции стенки — R, направленной в противоположную сторону.
Условие равновесия объема АВСD в вертикальном направлении имеет вид
Fв= РSг + G = РSг + ρgVВ, (3.6)
где Р — давление на свободной поверхности жидкости; Sг — площадь горизонтальной проекции поверхности АВ; G — вес выделенного объема жидкостиV, объем VВ называют объемом тела давления. Линия действия Fв проходит через ц.т. объема Vo.
Условие равновесия этого объема в горизонтальном направлении запишем с учетом того, что силы давления жидкости на поверхности ЕD и BC взаимно уравновешиваются и остается лишь сила давления на площадь AЕ т. е. на вертикальную проекцию поверхности Sв. Тогда
Направление горзонтальной силы находится по правилам , соответствующим силе, действующей на плоскую стенку.
Определив по формулам (3.7) и (3.6) вертикальную и горизонтальную составляющие полной силы Рж, найдем
(3.8)
Сила давления жидкости на криволинейную стенку будет равна силе реакции стенки Rж = P и направлена в противоположную сторону.
Когда жидкость расположена снаружи (рис.3.12б), сила гидростатического давления на криволинейную поверхность АВ определяется также, но направление ее будет противоположным.
В условия равновесия, как и в первом случае, входит вес жидкости G в объеме АВСD, хотя этот объем и не заполнен жидкостью.
Положение центра давления на цилиндрической стенке можно найти, если известны площади Sв и Sг и определен центр тяжести выделенного объема АВСD.
Для стенок постоянной кривизны (цилиндрических, сферических) полная сила давления проходит через центр или ось кривизны стенки.
При избыточном давлении на смоченной стороне стенки все составляющие и полная сила давления жидкости направлены от жидкости на стенку (изнутри наружу), рис.3.13а.
В случае разрежения на смоченной стороне стенки силы направлены снаружи внутрь сосуда, рис.3.13б.
При двустороннем воздействии жидкостей на стенку сначала определяются горизонтальные и вертикальные составляющие с каждой стороны стенки в предположении одностороннего воздействия жидкости, а затем суммарные горизонтальная и вертикальная составляющие от воздействия обеих жидкостей.
На рис. 3.13 показано определение горизонтальной и вертикальной составляющих и полной силы давления жидкости на симметричную стенку АВ при избыточном давлении (а) и при разрежении (б) на смоченной стороне стенки.
Объем, построенный на криволинейной поверхности, ограниченный цилиндрической вертикальной поверхностью и сверху пьезометрической плоскостью называется объемом тела давления.
Тело давления в обоих случаях ограничено пьезометрической плоскостью, сила давления в случае избыточного давления направлена наружу, в случае разряжения внутрь сосуда. В ряде задач силу давления на криволинейную стенку удобнее находить по ее составляющим вдоль наклонных осей.
Сила давления жидкости на стенку по любому заданному направлению s (рис. 3.14)
где Gs — вес жидкости в объеме Vs, ограниченном стенкой, пьезометрической плоскостью и проектирующей поверхностью, параллельной заданному направлению; α — угол между заданным направлением и вертикалью.
Рис.3.13. Силы давления на криволинейную стенку при действии: а) избыточном давлении в сосуде; б) при вакууме.
Линия действия силы Рs проходит через центр тяжести жидкости в объеме Vs.
Рис.3.14 Определение силы давления жидкости по заданному направлению.
В некоторых случаях для нахождения той или иной составляющей силы давления жидкости на стенку следует разбить ее поверхность на отдельные участки, определить соответствующие усилия на каждый участок стенки и далее просуммировать их.
Для определения вертикальной составляющей силы давления жидкости на полусферическую стенку abc следует разделить поверхность полусферы горизонтальной плоскостью на верхнюю ab и нижнюю bc половины и найти вертикальные силы давления жидкости на каждую из них (рис. 3.15).
Рис.3.15 Определение силы давления жидкости на полусферическую стенку разбиением на два объема.
Вертикальная сила на стенку ab равна весу жидкости в объеме аbтп (Рab = ρgVabmn) и направлена вверх; вертикальная сила на стенку bс равна весу жидкости в объеме сbтп (Рbc = ρgVсbтп) и направлена вниз. Следовательно, вертикальная сила давления на всю полусферу аbс равна разности указанных сил:
т.е. равна весу жидкости в объеме полусферы и направлена вниз.
Возможным приемом расчета силы давления является рассмотрение равновесия объема жидкости, заключенного между стенкой и плоским сечением, проведенным через ее граничный контур. Например, требуется определить силу Р давления жидкости на коническую крышку (рис. 3.16).
Ри.3.16. Определение силы давления жидкости при рассмотрении
равновесия объема жидкости в крышке.
Условие равновесия объема жидкости, заполняющей конус, выражается векторным уравнением
,
где N — сила давления жидкости на выделенный объем, т.е. на плоское сечение ас (N=ρgHFac ) и проходит по нормали к сечению через центр давления D); G — вес выделенного объема жидкости (G = ρgV); R — сила действия конуса на жидкость. Так как искомая сила Fж равна и противоположна силе R, получаем уравнение
,(3.10)
из которого можно определить силу давления Р или любую ее составляющую.
Плавание тел.
Выталкивающая сила является равнодействующей сил давления, с которыми жидкость, находящаяся в покое, действует на тело.
В жидкость погружено тело произвольной формы объемом Wт (рис.3.17).
Рис.3.17 Выталкивающая сила
На свободную поверхность жидкости тело проектируется в виде сечения S, по этой поверхности проведем цилиндрическую поверхность, которая касается поверхности тела по замкнутой кривой АВСD. Эта кривая отделяет верхнюю часть поверхности тела от нижней ее части.
Вертикальная составляющая силы избыточного давления жидкости на верхнюю часть поверхности тела направлена вниз и равна весу жидкости в объеме АFCME.
Вертикальная составляющая силы давления жидкости на нижнюю часть поверхности тела направлена вверх и равна весу жидкости в объеме ANCMF.
Разность между этими силами равна вертикальной равнодействующей сил давления жидкости на тело, будет направлена вверх и равна весу жидкости в объеме жидкости, вытесненной телом.
Закон Архимеда: на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила направленная вертикально вверх, равная весу жидкости вытесненной телом и приложенная в центре тяжести объема погруженной части тела.
Центр тяжести объема погруженной части тела называется центром водоизмещения или центром давления, так как в этой точке приложена равнодействующая сил давления на тело.
Объем жидкости, вытесненный телом, называется объемным водоизмещением.
Выталкивающая сила называется также силой Архимеда.
Вес G тела и архимедова сила могут находиться в следующих соотношениях:
1) G > FА — отрицательная плавучесть, тело тонет;