Основные свойства жидкостей

Гидромеханикой называется наука о равновесии и движении жидкости и о взаимодействии жидкости с твердыми телами.

Гидромеханика, представляя собой, раздел общей механики, подразделяется на гидростатику и гидродинамику.

В гидростатике изучаются жидкости в состоянии покоя, в гидродинамике - в состоянии движения.

В гидродинамике рассматриваются тела, характеризующиеся легкой подвижностью (текучестью). Тела, обладающие текучестью, способны, не дробясь на части, изменять свою форму при действии незначительных усилий. Такие тела называются жидкостями.

Под жидкостью в гидромеханике понимают жидкие и газообразные среды, так как им присущи общие свойства, а наблюдающиеся явления можно описать одинаковыми зависимостями. Однако между капельными жидкостями и газами имеются отличия:

Основными механическими свойствами жидкости являются:

Весомость жидкости характеризующейся удельным весом - отношением веса жидкости р к занимаемому объему v

γ = р/v.

Плотность жидкости - отношение массы жидкости m к ее объему v

ρ = m/v.

Плотность и удельный вес связаны между собой зависимостями γ = ρg, где g = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения. В судовых расчетах принимают:

      для пресной воды ρ = 1,0 т/м³ (102 кгс·с²/м⁴), γ = 9,81 кН/м³;

для морской воды стандартной плотности ρ = 1,025 т/м³, (105 кгс·с²/м⁴), γ = 10,06 кН/м³;

для воздуха ρ = 1,225 кг/м³ (0,125 кгс·с²/м⁴), γ = 12,02 Н/м³.

Поверхностным натяжением называется свойство жидкости испытывать дополнительное давление на свободной поверхности под действием молекулярных сил сцепления. Это свойство жидкости характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения α.

Вязкость – способность жидкости оказывать сопротивление при скольжении одной ее части относительно другой. Сила внутреннего трения F пропорциональна изменению скорости жидкости υ в направлении, перпендикулярном движению, и зависит от площади S соприкосновения элементов жидкости

F = μ·(dυ/dy)·S.

Это закон вязкого трения Ньютона. Коэффициент пропорциональности в нем называется коэффициентом динамической вязкости - μ (Па·с).

 Отношение коэффициента динамической вязкости к плотности жидкости называется коэффициентом кинематической вязкости

ν = μ/ ρ.

Коэффициент кинематической вязкости зависит от температуры. При температуре 20⁰ С для воды он составляет 1·10^-6 м²/с, для воздуха - 1,5·10^-5 м²/с.

Гидростатика

Гидростатика изучает законы равновесия жидкой среды и взаимодействие жидкости с твердыми телами, т.е. в ситуациях, когда движение отсутствует или скорость пренебрежительно мала.

Гидростатика позволяет понять некоторые свойства такой важной гидродинамической величины, как давление. Давление твердого тела определяется его весом, давление жидкости - ее глубиной. Сила давления на дно сосуда р (рис.1,а) не зависит от его формы, а определяется только уровнем налитой в сосуд жидкости в соответствии с гидростатической формулой:

р = р₀ + ρgh;

р = р₀ + р_м ,

где ρ - плотность жидкости, р₀ - давление жидкости на некотором фиксированном уровне (при наличии свободной поверхности - атмосферное давление), h - отстояние по вертикали от этого уровня до рассматриваемой точки (глубина погружения), р_и - избыточное (манометрическое) давление.

Соприкасаясь с твердым телом, жидкость оказывает на него давление, направленное по нормали к поверхности тела. Сила избыточного давления жидкости на плоскую поверхность, имеющую вертикальную ось симметрии (рис.1,б)

F = ρgh_cS,

где h_c - отстояние по вертикали ц.т. площади поверхности от уровня свободной поверхности жидкости; S - площадь поверхности.