Вступ. Предмет гідравліки і коротка історія її розвитку

Лекція 1. Вступ. ПРЕДМЕТ ГІДРАВЛІКИ І КОРОТКА ІСТОРІЯ ЇЇ РОЗВИТКУ

Рішення різних технічних проблем, пов'язаних з питаннями руху рідин у відкритих і закритих руслах, а також з питаннями силового впливу рідини на стінки судин або обтічні рідиною тверді тіла призвело до створення великої науки званої гідромеханікою, яка ділиться на два розділи: технічна гідромеханіка і теоретична механіка рідини і газу (рис.1.1).

Мал. 1.1. розділи гідромеханіки

Гідравліка (технічна механіка рідини) - прикладна частина гідромеханіки, яка використовує ті чи інші припущення для вирішення практичних завдань. Вона має порівняно простими методиками розрахунку в порівнянні з теоретичною механікою рідини, де застосовується складний математичний апарат. Однак гідравліка дає достатню для технічних додатків характеристику розглянутих явищ.

1.1. Коротка історія розвитку гідравліки

Історично гідравліка є однією з найдавніших наук в світі. Археологічні дослідження показують, що ще за 5000 років до нашої ери в Китаї, а потім в інших країнах стародавнього світу знайдені опису пристрою різних гідравлічних споруд, представлені у вигляді малюнків (перше креслень). Природно, що ніяких розрахунків цих споруд не проводилося, і всі вони були побудовані на підставі практичних навичок і правил.

Перші вказівки про науковий підхід до вирішення гідравлічних задач відносяться до 250 року до н.е., коли Архімедом був відкритий закон про рівновагу тіла, зануреного в рідину. Потім протягом 1500 років особливих змін гідравліка не отримувала. Наука в той час майже зовсім не розвивалася, утворився свого роду застій. І тільки в XVI-XVII століттях нашої ери в епоху Відродження, або як кажуть історики Ренесансу, з'явилися роботи Галілея, Леонардо да Вінчі, Паскаля, Ньютона, які поклали серйозна підстава для подальшого вдосконалення гідравліки як науки.

Однак тільки основоположні роботи академіків Петербурзької академії наук Данила Бернуллі і Леонарда Ейлера жили в XVIII столітті, створили міцний фундамент, на якому ґрунтується сучасна гідравліка. У XIX-XX століттях істотний внесок в гідродинаміку вніс "батько російської авіації" Микола Єгорович Жуковський.

Роль гідравліки в сучасному машинобудуванні важко переоцінити. Будь-який автомобіль, літальний апарат, морське судно не обходиться без застосування гідравлічних систем. Додамо сюди будівництво гребель, дамб, трубопроводів, каналів, водозливів. На виробництві просто не обійтися без гідравлічних пресів, здатних розвивати колосальні зусилля. А ось цікавий факт з історії будівництва Ейфелевої вежі. Перед тим як остаточно встановити багатотонну металоконструкцію вежі на бетонні підстави, їй надали суворе вертикальне положення за допомогою чотирьох гідравлічних пресів, встановлених під кожну опору.

Гідравліка переслідує людини всюди: на роботі, вдома, на дачі, в транспорті. Сама природа підказала людині пристрій гідравлічних систем. Серце - насос, печінку - фільтр, нирки - запобіжні клапани, кровоносні судини - трубопроводи, загальна довжина яких в людському організмі близько 100 000 км. Наше серце перекачує за добу 60 тонн крові (це ціла залізнична цистерна!).

1.2. Рідина і сили діють на неї

Рідиною в гідравліки називають фізичне тіло здатне змінювати свою форму при впливі на неї як завгодно малих сил. Розрізняють два види рідин: рідини краплинні і рідини газоподібні (рис.1.2). Краплинні рідини являють собою рідини в звичайному, загальноприйнятому розумінні цього слова (вода, нафта, гас, масло і.т.д.). Газоподібні рідини - гази, в звичайних умовах являють собою газоподібні речовини (повітря, кисень, азот, пропан і т.д.).

Мал. 1.2. види рідин

Основною відмінною рисою крапельних і газоподібних рідин є здатність скорочуватися (змінювати обсяг) під впливом зовнішніх сил. Краплинні рідини (надалі просто рідини) важко піддаються стисненню, а газоподібні рідини (гази) стискаються досить легко, тобто при впливі невеликих зусиль здатні змінити свій обсяг в кілька разів (рис.1.3).

Мал. 1.3. Стиснення рідин і газів

У гідравліки розглядаються реальна і ідеальна рідини. Ідеальна рідина на відміну від реальної рідини не володіє внутрішнім тертям, а також тертям об стінки судин і трубопроводів, по яких вона рухається. Ідеальна рідина також володіє абсолютною нестислива. Така рідина не існує в дійсності, і була придумана для полегшення і спрощення ряду теоретичних висновків і досліджень.

На рідина постійно впливають зовнішні сили, які поділяють на масові і поверхневі.

Масові: сили тяжіння і інерції. Сила тяжіння в земних умовах діє на рідину постійно, а сила інерції тільки при повідомленні об'єму рідини прискорень (позитивних або негативних).

Поверхневі: обумовлені впливом сусідніх об'ємів рідини на даний обсяг або впливом інших тіл.

Розглянемо посудину, наповнений рідиною. Якщо виділити в ньому нескінченно малий обсяг рідини, то на цей обсяг діятимуть сили з боку сусідніх таких же нескінченно малих обсягів (рис.1.4). Крім цього на вільну поверхню рідини діє сила атмосферного тиску P _атм і сили з боку стінок посудини.

Мал. 1.4. поверхневі сили

Якщо на рідину діє якась зовнішня сила, то кажуть, що рідина знаходиться під тиском. Зазвичай для визначення тиску рідини, викликаного впливом на неї поверхневих сил, застосовується формула

(Н / м 2) або (Па),

де F - сила, що діє на рідину, Н (ньютони);
S - площа, на яку діє ця сила, м² (кв.метрів).

Якщо тиск Р відраховують від абсолютного нуля, то його називають абсолютним тиском Р _абс. Якщо тиск відраховують від атмосферного, то воно називається надлишковим Р _хат. Атмосферний тиск постійно Р _а = 103 кПа (рис.1.5).

Мал. 1.5. Схема до визначення тисків

За одиницю тиску в Міжнародній системі одиниць (СІ) прийнятий паскаль - тиск викликається силою 1 Н, рівномірно розподіленим по нормальної до неї поверхні площею 1 м²:

1 Па = 1 Н / м² = 10 ^-3 кПа = 10 ^-6 МПа.

Розмірність тиску позначається як "Па" (паскаль), "кПа" (кілопаскалях), "МПа" (мегапаскалей). У техніці в даний час продовжують застосовувати систему одиниць МКГСС, в якій за одиницю тиску приймається 1 кгс / м².

1 Па = 0,102 кгс / м² або 1 кгс / м² = 9,81 Па.

1.3. Механічні характеристики і основні властивості рідин

Основні механічні характеристики

Однією з основних механічних характеристик рідини є її щільність. Щільністю рідини називають масу рідини укладену в одиниці об'єму.

Питомою вагою називають вага одиниці об'єму рідини, який визначається за формулою:

Зі збільшенням температури питома вага рідини зменшується.

Основні фізичні властивості

1. Стисливість - властивість рідини змінювати свій об'єм під дією тиску. Стисливість рідини характеризується коефіцієнтом об'ємного стиснення, який визначається за формулою

де V - початковий обсяг рідини,
dV - зміна цього обсягу, при збільшенні тиску на величину dP.

Величина зворотна βV називається модулем об'ємної пружності рідини:

Модуль об'ємної пружності не постійний і залежить від тиску і температури. При гідравлічних розрахунках сжимаемостью рідини зазвичай нехтують і вважають рідини практично нестисливими. Стиснення рідин в основному обумовлено стисненням розчиненого в них газу.

Стисливість знижує жорсткість гідроприводу, тому що, на стиск витрачається енергія. Стисливість може стати причиною виникнення автоколивань в гідросистемі, створює запізнювання в спрацьовуванні гідроапаратури і виконавчих механізмах.

Іноді стисливість рідин корисна - її використовують в гідравлічних амортизаторах і пружинах.

2. Температурне розширення - відносна зміна обсягу рідини при збільшенні температури на 1 ° С при Р = const. Характеризується коефіцієнтом температурного розширення

Оскільки для крапельних рідин коефіцієнт температурного розширення мізерно малий, то при практичних розрахунках його не враховують.

3. Опір розтягування. Особливими фізичними дослідами було показано, що грунтується рідина (зокрема вода, ртуть) іноді здатна чинити опір дуже великим розтягуючих зусиль. Але в звичайних умовах такого не відбувається, і тому вважають, що рідина не здатна чинити опір розтягуючих зусиль.

Мал. 1.6. Сили поверхневого натягу

4. Сили поверхневого натягу - ці сили прагнуть надати сферичну форму рідини. Сили поверхневого натягу обумовлені поверхневими силами і спрямовані завжди всередину розглянутого обсягу перпендикулярно вільної поверхні рідини. Розглянемо нескінченно малий об'єм рідини на вільної поверхні. На нього будуть діяти сили з боку сусідніх обсягів. В результаті, якщо скласти вектора всіх сил діючих на даний обсяг, то сумарна складова сила буде направлена ​​перпендикулярно всередину розглянутого обсягу.

5. В'язкість рідини - властивість рідини чинити опір ковзанню або зсуву її шарів. Суть її полягає у виникненні внутрішньої сили тертя між рухомими шарами рідини, яка визначається за формулою Ньютона

де S - площа шарів рідини або стінки, що стикається з рідиною, м ^2,
μ- динамічний коефіцієнт в'язкості, або сила в'язкісно тертя,
d / dy - градієнт швидкості, перпендикулярний до поверхні зсуву.

Звідси динамічна в'язкість дорівнює

де τ - дотичні напруження рідини, τ = T / S.

При перебігу в'язкої рідини уздовж твердої стінки відбувається гальмування потоку, обумовлене в'язкістю (рис.1.7). Швидкість зменшується в міру зменшення відстані y від стінки. При цьому при y = 0, швидкість падає до нуля, а між шарами відбувається прослизання, що супроводжується виникненням дотичних напружень τ.

Мал. 1.7. Профіль швидкостей при перебігу в'язкої рідини уздовж стінки

Величина зворотна динамічному коефіцієнту в'язкості (1 / μ) називається плинністю рідини.

Ставлення динамічного коефіцієнта в'язкості до щільності рідини називається кинематическим коефіцієнтом в'язкості:

Величина ν (вимовляється "ню") рівна 1см² / с називається Стоксом (Ст), а 0,01 Ст - 1 сантістокс (сСт).

Процес визначення в'язкості називається Віскозиметри, а прилади, якими вона визначається вискозиметрами. Крім оцінки в'язкості за допомогою динамічного і кінематичного коефіцієнтів користуються умовною в'язкістю - градуси Енглер (Е). В'язкістю, вираженої в градусах Енглер, називається відношення часу витікання 200 см³ випробуваної рідини через капіляр d = 2,8 мм до часу закінчення такого ж обсягу води при t = 20 С

Такий прилад називається віскозиметром Енглера. Для перерахунку градусів Енглера в Стокс для мінеральних масел застосовується формула

Таким чином, для оцінки в'язкості рідини можна використовувати три величини, які пов'язані межу собою

Мал. 1.8. Способи оцінки в'язкості рідини

В'язкість рідини залежить від температури і від тиску. При підвищенні температури в'язкість рідини зменшується і навпаки. У газів спостерігається зворотне явище: з підвищенням температури в'язкість збільшується, з пониженням температури - зменшується.

6. Піноутворення. Виділення повітря з робочої рідини при падінні тиску може викликати піноутворення. На інтенсивність піноутворення впливає міститься в робочої рідини вода: навіть при незначній кількості води (менше 0,1% за масою робочої рідини) виникає стійка піна. Освіта і стійкість піни залежать від типу робочої рідини, від її температури і розмірів бульбашок, від матеріалів і покриттів гідроапаратури. Особливо піноутворення відбувається інтенсивно в забруднених рідинах і колишніх в експлуатації. При температурі рідини понад 70 С відбувається швидкий спад піни.

7. Хімічна та механічна стійкість. Характеризує здатність рідини зберігати свої первинні фізичні властивості при експлуатації і зберіганні.

Окислення рідини супроводжується випаданням з неї смол і шлаків, які відкладаються на поверхні елементів гідроприводу у вигляді твердого нальоту. Знижується в'язкість і змінюється колір рідини. Продукти окислення викликають корозію металів і зменшують надійність роботи гідроапаратури. Наліт викликає заклинювання рухомих сполук, плунжерних пар, дросселирующих отворів, руйнування ущільнень і розгерметизацію гідросистеми.

8. Сумісність. Сумісність робочих рідин з конструкційними матеріалами і особливо з матеріалами ущільнень має дуже велике значення. Робочі рідини на нафтовій основі сумісні з усіма металами, застосовуваними в гідромашинобудування, і погано сумісні з ущільненнями, виготовленими з синтетичної гуми і зі шкіри. Синтетичні робочі рідини погано поєднуються з деякими конструкційними матеріалами і не сумісні з ущільненнями з маслостойкой гуми.

9. Испаряемость рідини. Испаряемость властива всім краплинним рідин, однак інтенсивність випаровування неоднакова у різних рідин і залежить від умов в яких вона знаходиться: від температури, від площі випаровування, від тиску, і від швидкості руху газоподібного середовища над вільною поверхнею рідини (від вітру).

10. Розчинність газів в рідинах характеризується обсягом розчиненого газу в одиниці об'єму рідини і визначається за законом Генрі:

де V _Г - обсяг розчиненого газу; V _Ж - обсяг рідини; k - коефіцієнт розчинності; Р - тиск; Р _а - атмосферний тиск.

Коефіцієнт k має наступні значення при 20 С: для води 0,016, гасу 0,13, мінеральних масел 0,08, рідини АМГ-10 - 0,1. При зниженні тиску виділяється розчинний в рідини газ. Це явище може негативно позначатися на роботі гідросистем.