Поток и давление. Внутренние силы в жидкостях и газах

Раздел физики, который занимается изучением давления, действующего в покоящихся жидкостях, называется гидростатикой. К этому разделу относятся разнообразные проблемы: от глубоководного плавания до авиационных альтиметров, от плавучести и потопляемости до проектирования гидравлических подъемников и других машин.

Закон Архимеда. Гидростатика изучает, что происходит с телом, погруженным в жидкость. Жидкости и газы текучи и способны оказывать сопротивление действующей силе или передавать ее. Если погрузить поплавок в воду, а затем отпустить, то он немедленно всплывет на поверхность. В этом проявляется действие так называемой выталкивающей силы, обусловленной свойствами жидкости. Подобным образом выталкивающая сила действует и на парящий шар, хотя здесь она создается уже не жидкостью, а газом (т.е. воздухом).

Закон Архимеда гласит, что на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной им жидкости. Тело круглой формы, подвешенное на пружине, в воздухе имеет вес р, а будучи погруженным в жидкость - меньший вес q. Разность этих весов и дает величину выталкивающей силы, действующей на тело в жидкости. Она равна весу вылившейся из мензурки воды (г - S = р - q). Закон Архимеда лежит в основе действия гидрометра (Б), используемого для контроля плотности кислоты в автомобильных аккумуляторах. Трубку прибора погружают в кислоту батареи, а грушу сжимают, чтобы удалить из нее воздух. Затем грушу отпускают, и кислота всасывается в основной канал трубки. Тогда гидрометр погружается в воду на глубину, зависящую от плотности кислоты.

Первым это явление обнаружил и оценил количественно древнегреческий ученый Архимед (287-212 гг. до н. э.). Он установил, что, когда тело частично или полностью погружено в жидкость, на него действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной им жидкости. Используя закон Архимеда, можно по уменьшению веса тела рассчитать величину выталкивающей силы.

Вес плавающего тела полностью уравновешен выталкивающей силой. Но если плотность тела велика, то выталкивающая сила не компенсирует его вес и тело тонет. Этот принцип использован в гидрометре-приборе для измерения плотности жидкости. Гидрометр погружается до уровня, зависящего от веса вытесненной им жидкости, так что, зная объем погруженной части, можно рассчитать плотность жидкости.

Манометр представляет собой откалиброванную U-образную трубку с жидкостью. В обычном манометре одна трубка (1) имеет малый диаметр, а вторая делается значительно шире и действует как резервуар (2). Благодаря такому устройству трубок уровень жидкости в резервуаре почти не меняется при изменении давления, а изменение уровня в узкой трубке оказывается весьма значительным. Небольшая корректировка с помощью индикатора уровня (3) позволяет скомпенсировать ничтожные изменения уровня жидкости в резервуаре. Вначале (А) уровни в обеих трубках одинаковы. При действии давления на резервуар (Б) уровень жидкости в узкой трубке поднимается, показывая величину этого давления.

Внутренние силы в жидкостях и газах. В жидкостях и газах возникает внутренняя сила, действующая на глубине и обусловленная весом вышележащей жидкости. Обычно этот эффект характеризуют силой, отнесенной к единице площади, или давлением, вызванным весом столба жидкости. Давление возрастает с глубиной. Поэтому при строительстве плотин их прочность также должна увеличиваться к основанию-с этой целью чаще используются треугольные секции, утолщающиеся книзу. По этой же причине водолаз, погружаясь на большие глубины, надевает скафандр, наполненный сжатым воздухом, давление которого противодействует внешнему давлению воды и позволяет водолазу нормально дышать.

Другим примером может служить земная атмосфера. Вес столба воздуха является причиной давления у поверхности Земли, называемого атмосферным; оно составляет (в разных системах единиц) 760 мм ртутного столба, 101325 Н/м2, или 1013 миллибар (гектопаскалей). Изменения атмосферного давления, влияющие на погоду, вызываются атмосферными возмущениями. Давление измеряют барометром. В простейшем барометре измеряется высота столба жидкости, чаще ртути, удерживаемого атмосферным давлением. Барометр-анероид преобразует смещение тонких стенок металлического цилиндра, возникающее под действием давления, в механическое движение стрелки по откалиброванной шкале. Барометр этого типа применяется в качестве альтиметра во многих самолетах.

В водопроводной колонке при нажатии рычага поршень (1) движется вверх, создавая частичный вакуум в цилиндре (2). Вода, имеющаяся в камере, держит клапан (4) поршня закрытым. Атмосферное давление, действующее на поверхность воды вне водопроводной колонки, вталкивает воду в цилиндр. Она проходит сквозь открытый клапан (3), заполняя верхнюю камеру. Когда поршень начинает двигаться вниз, клапан 3 закрывается, а клапан 4 открывается, позволяя поршню двигаться сквозь накачанную воду. При следующем нажатии рычага вниз вода низвергается из колонки, и цикл начинается снова. Теоретически атмосферное давление может поднять воду на высоту около 10 м.

Этот эффект используется также в манометре, который состоит из U-образной стеклянной трубки, заполненной жидкостью, перемещающейся по трубке в зависимости от разности давлений на ее концах. По тому же принципу действует обычная помпа для подъема воды из колодца. Она поднимает столб воды, удерживаемый атмосферным давлением, действующим на поверхности водоема. Теоретически высота такого столба может достигать 10,36 м, однако на практике так называемая лифтовая помпа поднимает воду с глубины не более 8,5 м.

Внешнее давление можно использовать для приведения жидкости в движение, но ее собственное внутреннее давление находит еще более эффективное применение. Жидкость практически несжимаема, поэтому давление, возникшее в какой-либо точке внутри жидкости, передается по ней без изменений во всех направлениях.

Этот принцип используется в гидравлическом прессе для создания чрезвычайно больших сил. Сила, действующая на очень маленькую площадку, оказывает огромное давление (оно равно силе, отнесенной к единице площади). Его можно преобразовать в большую силу, действующую на большой площади в гидравлическом домкрате, поскольку давление передается жидкостью без изменения.

В гидравлическом подъемнике используется способность несжимаемой жидкости передавать давление равномерно во всех направлениях. Небольшая по величине сила /, действующая на площадку а, создает давление f/a, которое передается значительно большей площадке А соответственно с большей силой F, поскольку F/A = f/a. Эту силу можно использовать для подъема тяжелых грузов, но только на незначительное расстояние d

Гидравлический подъемник находит себе множество применений. Он широко используется на станциях техобслуживания для поднятия автомобилей. Гидравлические машины применяются в промышленности, сельском хозяйстве И т. д. Примером может служить гидравлический подъемник, используемый для установки и эксплуатации линий электропередач и телефонных кабелей на высоких столбах. Если такая машина действует, как показано на рис. 5, то небольшие движения рабочего поршня приводят к перемещениям подъемника на несколько метров. В ней используется специальная жидкость, которая, сжимаясь помпой, создает требуемое давление.

Гидродинамика. Все перечисленные выше явления основаны на статических свойствах жидкостей. Изучением свойств жидкостей, связанных с их подвижностью, занимается гидродинамика. Движение изменяет давление внутри жидкости. Поток может быть ламинарным (слоистым) или турбулентным, когда жидкость закручивается в водоворотах. В последнем случае рассчитать давление в различных точках внутри потока чрезвычайно трудно. Швейцарский математик Даниил Бернулли (1700-1782) первым обратил внимание на то, что давление падает с ростом скорости потока (хотя, строго, это справедливо лишь для слоистого потока). Этим обусловлена подъемная сила крыла самолета. Крылу придают такую форму, что над крылом поток движется с большей скоростью, чем под ним: это и создает подъемную силу.

Аэродинамическая труба используется для изучения воздушных потоков, обтекающих различные тела. В ней, например, можно исследовать аэродинамические свойства самолетного крыла определенной формы и даже целые самолеты и автомобили. Чтобы сфотографировать воздушный поток и получить полную картину линий тока, в него запускают маленькие пластмассовые шарики.