ПОНЯТИЯ РЕАЛЬНОЙ И ИДЕАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ. ВЯЗКОСТЬ

ГЛАВА ПЕРВАЯ ВВЕДЕНИЕ В ГИДРАВЛИКУ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАУКИ «ГИДРАВЛИКА»

При решении различных проблем часто приходится встречаться с вопросом о движении различных жидкостей, а также с вопросом о силовом (механическом) воздействии жидкости на те или другие поверхности и на обтекаемые ею твердые тела.

Исследование этих вопросов постепенно привело к созданию обширной науки, которую следует назвать «механикой жидкого тела», или «механикой жидкости», или (если пользоваться греческими словами) «гидромеханикой». Само собой разумеется, что механика жидкости (гидромеханика) разделяется на статику (гидростатику), кинематику и гидродинамику.

Можно сказать, что в механике жидкости (в гидромеханике) изучаются законы равновесия и движения различных жидкостей; очевидно, что в ней должны даваться также и способы практического приложения этих законов, т. е. разрабатываться соответствующие методы гидромеханических расчетов различных конструкций, устройств и т. п.

Существенно подчеркнуть, что механика жидкости (гидромеханика) в силу целого ряда причин развивалась за рубежом и у нас в России, а затем и в СССР, по двум направлениям:

1) по направлению, свойственному техническим наукам (изучаемым в технических учебных заведениях), и

2) по направлению чисто математическому (с использованием обширного и относительно сложного математического аппарата, изучаемого главным образом в университетах).

В связи со сказанным создалось положение, когда в области единой науки механики жидкости мы оказались вынужденными различать как бы две разные науки (строго говоря, два разных метода исследования): «техническую механику жидкости» («техническую гидромеханику»), называемую часто «гидравликой» и изучаемую в технических учебных заведениях, и «математическую механику жидкости» («математическую гидромеханику»), изучаемую главным образом в университетах.

Различие между этими науками, имеющими один и тот же объект исследования, в частности, заключается в следующем. ³

В технической механике жидкости (гидравлике) при решении различных практических задач широко используются те или иные допущения и предположения, упрощающие рассматриваемый вопрос. Достаточно часто гидравлические решения основываются на результатах экспериментов, и потому в технической механике жидкости приводят относительно много различных эмпирических и полуэмпирических формул. При этом стремятся к оценке только главных характеристик изучаемого явления и часто оперируют теми или иными интегральными и осредненными величинами, которые дают достаточную для технических приложений характеристику рассматриваемых явлений; например, в технической механике жидкости часто пользуются понятием средней скорости движения жидкости в том или другом поперечном сечении потока и т. п. По своему характеру техническая механика близка к известным дисциплинам — строительной механике и сопротивлению материалов, в которых под тем же углом зрения изучаются вопросы механики твердого тела. Следует учитывать, что гидравлика, являясь общетехнической дисциплиной, должна рассматриваться как «профессиональная физика жидкого тела», в которой, в частности, даются основы соответствующих гидромеханических расчетов, используемых при проектировании инженерных сооружений, конструкций, а также надлежащих технологических процессов.

В математической механике жидкости, как было отмечено, широко используется относительно сложный математический аппарат, не изучаемый в технических вузах. Этот аппарат прилагается также к несколько упрощенным схемам движения жидкости. Однако в этом методе исследования мы все же не прибегаем к различного рода допущениям и не оперируем различными осредненными величинами в такой мере, как в технической механике жидкости. Решения, получаемые в математической гидромеханике, оказываются более строгими в математическом отношении. По своему характеру математическая механика жидкости сходна (чисто формально) с математической теорией упругости (рассматривающей вопросы механики твердого тела), изучаемой в университетах.

Как показал опыт, методы математической механики жидкости сплошь и рядом оказываются столь сложными, что громадное большинство практических задач, следуя этим методам, решить невозможно. Этим и объясняется возникновение и развитие технической, прикладной науки — технической механики жидкости, т. е. гидравлики, которая стремится дать приближенные ответы на все те вопросы, связанные с движущейся или покоящейся жидкостью, которые ставит перед нами практика.

Можно сказать, что в технической гидромеханике (в гидравлике) приближенно решаются сложные задачи при помощи простых методов. В математической же гидромеханике относительно точно решаются только некоторые простейшие задачи при помощи сложных методов. Надо, впрочем, отметить, что в последнее время мы все чаще сталкиваемся с вопросами, которые приходится решать, сочетая методы технической и математической гидромеханики, причем иногда бывает трудно провести границу между этими двумя науками (вернее, между этими двумя методами, используемыми в области механики жидкости).

Необходимо отметить, что техническая механика жидкости (гидравлика), м представляющая собой обширную самостоятельную, сложившуюся техническую науку, включает в себя много различных разделов, касающихся отдельных сторон рассматриваемой проблемы. Разумеется, эти разделы должны излагаться в курсах «Технической механики жидкости» для разных технических специальностей различно. Например, для строительных специальностей приходится более подробно освещать те процессы, которые имеют место при строительстве и эксплуатации инженерных сооружений; для машиностроительных специальностей — те процессы, с которыми мы сталкиваемся при проектировании и эксплуатации машин и т. д.

Из сказанного выше видно, что термины «гидравлика», «техническая гидромеханика» и «техническая механика жидкости» следует рассматривать как имеющие одинаковое значение (как бы синонимы). Необходимо учитывать, что само слово «гидравлика» произошло от слияния двух греческих слов, из которых первое значит «вода», а второе — «труба», «канал», «струя». Как видно, ранее считали, что гидравлика занимается изучением движения или покоя только воды. Однако в настоящее время термин «гидравлика» (а также «гидромеханика») понимается в более широком смысле: мы предполагаем, что объектом изучения в гидравлике является любая жидкость (а не только вода).

ЖИДКОСТЬ

Как известно, различают твердые, жидкие и газообразные тела, а также плазму. При изменении давления или температуры жидкое тело может переходить в твердое или газообразное. Например, при очень высоких давлениях в обычной воде образуются кристаллы льда; наоборот, при снижении давления в жидкости могут появиться пузырьки, заполненные паром (газом).

Рис. 1-1. Напряжения нормальное (<т„) и касательное (т)

Жидкость есть физическое тело, обладающее двумя особыми свойствами:

1) она весьма мало изменяет свой объем при изменении давления или температуры; в этом отношении жидкость сходна с твердым телом;

2) она обладает текучестью, благодаря чему жидкость не имеет собственной формы и принимает форму того сосуда, в котором она находится; в этом отношении жидкость отличается от твердого тела и является сходной с газом.

С тем чтобы пояснить свойство текучести жидкого тела, покажем на рис. 1-1 твердое тело Т. В этом теле под действием, например, собственного веса должны возникнуть соответствующие напряжения. Если наметить произвольное сечение данного тела, то в этом сечении, так же как и в любом другом сечении, (исключая, разумеется, сечения, совпадающие с траекториями главных напряжений), помимо нормальных напряжений , будут возникать еще касательные напряжения т. е. напряжения, действующие вдоль намеченного сечения (касательно к нему).

Представим себе далее, что тело Т, находясь в покое, приобрело такое состояние своего вещества, при котором оно оказывается неспособным воспринимать касательные напряжения т, вызываемые, например, собственным весом. При этом, очевидно, тело Т под действием собственного веса начнет растекаться и в конечном счете примет форму сосуда ABCD.

Как видно, текучесть рассматриваемого тела обусловливается тем, что дно в покоящемся состоянии не способно сопротивляться внутренним касательным усилиям, т. е. усилиям, действующим вдоль поверхностей сдвига.

Можно сказать, что второе свойство жидкости (см. выше п. 2) заключается в том, что жидкость, в отличие от твердого тела, находясь в покое, не может иметь касательных напряжений, и именно поэтому она принимает форму сосуда, в котором заключена.

Поскольку газ также обладает свойством текучести, то многие теоретические положения, разработанные применительно к жидкому телу, могут быть распространены и на случай газообразных тел. Однако в нашем курсе гидравлики вопрос о газе рассматривать не будем. Этому вопросу посвящается особая дисциплина, называемая «аэромеханикой» («механикой газа»).

Говоря далее только о жидкости, как пример ее, часто будем иметь в виду воду, которая характеризуется двумя упомянутыми свойствами (текучестью и малой сжимаемостью под действием силы).

Надо сказать, что в природе встречаются так называемые аномальные жидкости (краски, некоторые смазочные масла, суспензии и т. п.), которые в покоящемся состоянии могут иметь небольшие касательные напряжения. Эти «жидкости» мы поясним весьма кратко в конце нашего курса (см. гл. 20).

ПОНЯТИЯ РЕАЛЬНОЙ И ИДЕАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ. ВЯЗКОСТЬ

Как показывает опыт, жидкости, встречающиеся в природе, т. е. реальные жидкости, столь мало изменяют свой объем при обычном изменении давления и температуры (см. § 1-4), что этим изменением объема практически можно пренебрегать. Поэтому в гидравлике жидкость рассматривается как абсолютно несжимаемое тело (здесь приходится делать исключение только при изучении одного вопроса — вопроса о так называемом гидравлическом ударе, когда даже малую сжимаемость жидкости приходится учитывать; см. гл. 9).

Выше было подчеркнуто, что в покоящейся жидкости касательные напряжения всегда отсутствуют. В движущейся жидкости, как показывают исследования, касательные напряжения обычно имеют место: именно при движении жидкости по поверхностям скольжения жидких слоев друг по другу возникает трение, которое и уравновешивает внутренние касательные силы.

Свойство жидкости, обусловливающее возникновение в ней при ее движении касательных напряжений («напряжений трения»), называется вязкостью.

В практике встречаются случаи, когда силы трения, возникающие благодаря вязкости, оказываются небольшими сравнительно с другими силами, действующими на жидкость. В этих частных случаях вязкостью можно пренебречь и считать, что в движущейся жидкости касательные напряжения отсутствуют так же, как и в покоящейся жидкости.

При аналитических исследованиях часто пользуются понятием идеальной жидкости. Идеальной жидкостью называют воображаемую жидкость, которая характеризуется:

а) абсолютной неизменяемостью объема (при изменении давления и температуры);

б) полным отсутствием вязкости, т. е. сил трения при любом ее движении. Идеальная жидкость, в отличие от реальной («вязкой») жидкости, в природе,

разумеется, не существует. Ее создают в воображении как некоторую приближенную модель реальной жидкости. Из сказанного выше ясно, что:

1) при изучении покоящейся жидкости нет надобности различать реальную и идеальную жидкости;

2) при изучении же движения жидкости очень часто приходится считаться с различием между двумя названными жидкостями: в случае реальной жидкости необходимо дополнительно учитывать силы трения, т. е. вязкость.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: