Шпаргалка по "Гидравлике"

1. Предмет гидравлики. Основоположники гидравлики:

• Гидравлика - это раздел механики, который изучает свойства и использование жидкостей в передаче силы и управлении механизмами. Этот предмет занимается анализом и проектированием систем, использующих жидкости под давлением для выполнения различных задач.
• Основоположниками гидравлики можно считать Джозефа Брама, который в 1795 году создал первую гидравлическую пресс-машина, и Джорджа Шэрфура, автора работы о законах гидравлики, опубликованной в 1732 году.

1. Жидкость и ее основные свойства:

• Жидкость - это одно из агрегатных состояний вещества, характеризующееся тем, что она имеет форму сосуда и обладает молекулярной подвижностью, позволяющей ей течь и принимать форму контейнера.
• Основные свойства жидкости включают:

• Плотность: Масса на единицу объема, измеряется в килограммах на кубический метр (кг/м³).
• Вязкость: Способность жидкости сопротивляться скольжению частиц друг по отношению к другу. Высокая вязкость означает медленное течение, а низкая - быстрое.
• Поверхностное натяжение: Свойство жидкости сжиматься на поверхности, образуя "пленку". Измеряется в дин/см.
• Давление: Давление в жидкости передается равномерно во всех направлениях и увеличивается с глубиной.

1. Силы, действующие в жидкости:

• В жидкости действуют следующие силы:

• Давление: Давление в жидкости передается равномерно во всех направлениях. Зависит от глубины и плотности жидкости. По закону Паскаля, изменение давления в одной точке передается без изменений во всей жидкости.
• Архимедова сила: Эта сила возникает при погружении тела в жидкость и равна весу выталкиваемой телом жидкости. Она поддерживает плавание тела в жидкости.
• Гидростатическое давление: Это давление, создаваемое столбом жидкости в покое. Зависит от глубины и плотности жидкости.

1. Вязкость жидкости. Методы определения вязкости:

• Вязкость - это свойство жидкости сопротивляться скольжению слоев друг по отношению к другу при движении. Она измеряется в дин/см² или Паскалях секунда (Па·с).
• Методы определения вязкости включают:

• Вращающийся вискозиметр: Этот метод использует вращающийся цилиндр с жидкостью между двумя плоскими дисками. Измеряется сила, необходимая для вращения цилиндра.
• Метод измерения времени вытекания: Вязкая жидкость пропускается через узкое отверстие, и измеряется время, которое она затрачивает на вытекание. Этот метод используется для жидкостей с низкой вязкостью.
• Метод исследования потока между пластинами: Этот метод заключается в измерении скорости потока между двумя пластинами с известным расстоянием между ними и известной силой, которая поддерживает движение.

1. Гидростатическое давление и его свойства:

• Гидростатическое давление - это давление, которое возникает в жидкости, находящейся в покое. Это давление распределяется равномерно во всех направлениях и действует на стенки емкости или поверхности контакта с жидкостью.
• Свойства гидростатического давления включают:

• Зависимость от глубины: Гидростатическое давление увеличивается с глубиной, поскольку на каждом уровне в жидкости давление влево и вправо от точки равно.
• Зависимость от плотности: Гидростатическое давление также зависит от плотности жидкости и ускорения свободного падения (обычно принимается равным 9,81 м/с² на Земле).
• Независимость от формы сосуда: Давление на горизонтальной плоскости в жидкости не зависит от формы сосуда, оно определяется только глубиной и плотностью жидкости.

1. Основное уравнение гидростатики:

• Основное уравнение гидростатики утверждает, что в любой точке жидкости, находящейся в покое, сумма давлений от всех сторон равна сумме весов всех столбов жидкости, находящихся выше этой точки.
• Формально уравнение гидростатики можно записать следующим образом: P = ρgh, где:

• P - гидростатическое давление.
• ρ - плотность жидкости.
• g - ускорение свободного падения.
• h - глубина точки в жидкости от поверхности.

1. Давление жидкости на плоскую наклонную поверхность:

• Давление жидкости на плоскую наклонную поверхность зависит от глубины точки в жидкости, угла наклона поверхности и плотности жидкости.
• Давление P на наклонную поверхность можно выразить как: P = ρghcos(θ), где:

• P - давление на поверхности.
• ρ - плотность жидкости.
• g - ускорение свободного падения.
• h - глубина точки в жидкости от поверхности.
• θ - угол наклона поверхности относительно горизонтали.

1. Давление жидкости на цилиндрическую поверхность:

• Давление жидкости на цилиндрическую поверхность также зависит от глубины, плотности жидкости и ускорения свободного падения.
• Давление на цилиндрическую поверхность можно выразить как: P = ρgh, где:

• P - давление на поверхности.
• ρ - плотность жидкости.
• g - ускорение свободного падения.
• h - глубина точки в жидкости от поверхности.

1. Закон Архимеда и его приложение:

• Закон Архимеда утверждает, что на любое тело, погруженное в жидкость, действует поддерживающая сила, равная весу выталкиваемой телом жидкости. Это объясняет поддержание плавания тела в жидкости.
• Приложения закона Архимеда:

• Поддержание плавания: Закон Архимеда объясняет, почему тело с плотностью меньше плотности жидкости (например, плотность тела меньше плотности воды) поднимается на поверхность и плавает.
• Гидростатические весы: Закон Архимеда используется для измерения плотности объектов путем взвешивания их в воде.
• Подъем грузов в воде: В грузоподъемных системах, использующих воду в качестве поддержки, применяются принципы закона Архимеда.
• Судостроение: Закон Архимеда учитывается при проектировании кораблей и подводных лодок, чтобы обеспечить их поддержание на поверхности и под водой.

1. Поверхности равного давления:

• Поверхность равного давления - это такая поверхность в жидкости, на которой давление одинаково в каждой точке. Внутри жидкости давление изменяется с глубиной, но на поверхности равного давления оно одинаково.
• В жидкости, находящейся в покое, такая поверхность будет горизонтальной и параллельной поверхности жидкости. Это связано с тем, что давление внутри жидкости увеличивается с глубиной.

1. Кинематика жидкости. Основные понятия кинематики:

• Кинематика жидкости - это раздел механики, который изучает движение жидкости без рассмотрения сил, вызывающих это движение. Основные понятия кинематики жидкости включают:

• Скорость: Это векторная величина, которая описывает изменение положения частиц жидкости с течением времени.
• Ускорение: Ускорение жидкости - это изменение скорости с течением времени.
• Траектория: Траектория - это путь, по которому движется конкретная частица жидкости в пространстве.
• Поток: Поток жидкости - это количество жидкости, проходящее через определенную площадь в единицу времени.

1. Виды движения жидкости:

• В жидкости может наблюдаться несколько видов движения, включая:

• Ламинарное (параллельное) движение: В этом случае жидкость движется в слоях, и каждый слой движется параллельно соседним. Движение ламинарное и упорядоченное.
• Турбулентное движение: Турбулентное движение более хаотично, и частицы жидкости перемешиваются и образуют вихри. Оно характеризуется непредсказуемыми изменениями скорости и направления движения.
• Течение по трубе (поток в трубопроводе): В этом случае жидкость движется внутри трубы или канала и может быть как ламинарным, так и турбулентным, в зависимости от параметров потока.

1. Уравнение Бернулли для идеальной жидкости:

• Уравнение Бернулли описывает закон сохранения энергии для идеальной (несжимаемой и не вязкой) жидкости вдоль потока. Это уравнение основывается на трех основных понятиях: кинетическая энергия, потенциальная энергия и давление. Форма уравнения Бернулли выглядит следующим образом: P + 1/2ρv^2 + ρgh = const. где:

• P - давление в жидкости.
• ρ - плотность жидкости.
• v - скорость жидкости.
• g - ускорение свободного падения.
• h - высота над определенным уровнем.

1. Уравнение Бернулли для реальной жидкости:

• Уравнение Бернулли также можно применять к реальным жидкостям, учитывая потери энергии из-за вязкости и других факторов. В этом случае уравнение становится сложнее и включает дополнительные члены, учитывающие потери. Однако основная идея остается прежней - сумма кинетической, потенциальной и давления энергии остается постоянной вдоль потока.

1. Средняя скорость и расход:

• Средняя скорость - это средняя величина скорости жидкости вдоль потока на определенном участке. Она вычисляется как отношение расхода жидкости к площади сечения потока. Математически она выражается как: V_avg = Q / A где:

• V_avg - средняя скорость.
• Q - расход жидкости (количество жидкости, проходящее через сечение в единицу времени).
• A - площадь сечения потока.

• Расход - это количество жидкости, проходящее через определенное сечение потока в единицу времени. Единицы измерения расхода могут быть литры в секунду, кубические метры в секунду и так далее.

1. Линия тока и трубка тока:

• Линия тока - это кривая линия, которая представляет собой траекторию движения индивидуальных частиц жидкости в данном потоке. Линии тока используются для визуализации и анализа движения жидкости в различных точках потока. Линии тока в идеальной жидкости никогда не пересекаются.
• Трубка тока - это набор линий тока, которые определяют форму и направление потока жидкости. Трубка тока позволяет легче визуализировать общее движение жидкости в системе.

1. Режимы течения жидкости:

• Существует несколько режимов течения жидкости, включая:

• Ламинарное течение: В этом режиме жидкость движется слоями, и движение частиц жидкости упорядочено. Ламинарное течение характеризуется плавными и параллельными линиями тока.
• Турбулентное течение: В турбулентном течении движение жидкости хаотично, и частицы перемешиваются вихрями. Турбулентное течение характеризуется нерегулярными и пересекающимися линиями тока.
• Переходное течение: Этот режим представляет собой переход от ламинарного к турбулентному течению при изменении параметров, таких как скорость потока или размер трубопровода.

1. Кавитация:

• Кавитация - это физический процесс, при котором жидкость быстро испаряется и образует пузырьки в зоне повышенной скорости или низкого давления. Когда эти пузырьки взрываются, они могут создавать сильные давления и вызывать повреждения или коррозию близлежащих поверхностей.
• Кавитация может возникать в насосах, гидравлических системах, морских пропеллерах и других приборах и машинах, работающих с жидкостями. Ее управление и предотвращение играют важную роль в обеспечении надежной работы таких систем.

1. Потери напора при ламинарном течении жидкости:

• В ламинарном течении потери напора обычно связаны с вязкостью жидкости и течением между слоями. Основные источники потерь напора в ламинарном течении включают:

• Трение между слоями жидкости: Поскольку слои жидкости движутся с разной скоростью, возникают потери напора из-за трения между слоями.
• Потери в криволинейных трубопроводах: Если течение происходит в изогнутых или криволинейных трубопроводах, то возникают дополнительные потери напора из-за изменения направления потока.
• Потери в узких сечениях: Поток через узкие сечения вызывает потери напора из-за увеличения скорости.

1. Потери напора при турбулентном течении жидкости:

• В турбулентном течении потери напора обычно выше, чем в ламинарном течении, из-за хаотичного перемешивания жидкости. Основные источники потерь напора в турбулентном течении включают:

• Турбулентное трение: Хаотическое движение частиц жидкости в турбулентном потоке приводит к высоким потерям напора из-за интенсивного трения.
• Образование вихрей: Вихри и воронки, которые могут возникать в турбулентном потоке, создают дополнительные потери напора.
• Разделение потока: Если поток разделяется на несколько частей, возникают дополнительные потери напора из-за разделения и последующего слияния потока.

1. Местные гидравлические сопротивления:

• Местные гидравлические сопротивления - это потери напора, которые возникают в результате наличия преград, дефектов, изгибов или других особенностей в системе трубопроводов. Эти потери напора могут быть вызваны:

• Сужением сечения: Поток может сужаться при прохождении через диафрагмы, вентили или сужения в трубопроводе, что вызывает потери напора.
• Расширением сечения: Если поток расширяется, например, при прохождении через расширитель, это также приводит к потерям напора.
• Изгибами и углами: Изгибы и углы в трубопроводах вызывают дополнительные потери напора из-за изменения направления потока.
• Препятствия и неровности: Преграды, неровности стенок труб и другие препятствия могут создавать дополнительные потери напора.

1. Истечение жидкости через малые отверстия при постоянном напоре:

• Если жидкость истекает через малое отверстие при постоянном напоре (например, под воздействием гравитации), то можно использовать уравнение Торричелли для определения скорости истечения. Уравнение Торричелли для постоянного напора выглядит следующим образом: v = √(2gh) где:

• v - скорость истечения жидкости.
• g - ускорение свободного падения.
• h - высота (глубина) уровня жидкости над отверстием.

1. Истечение жидкости при несовершенном сжатии:

• Истечение жидкости при несовершенном сжатии означает, что жидкость не может свободно расширяться и заполнять все доступное пространство. В этом случае, когда жидкость истекает из сосуда или трубы, она может сжиматься, и это влияет на ее скорость и поток.
• Для описания такого процесса можно использовать уравнение Торричелли, учитывая изменения плотности жидкости и ее сжимаемость.

1. Истечение жидкости под уровень:

• Истечение жидкости под уровень также может быть описано с использованием уравнения Торричелли. В этом случае, если отверстие находится под уровнем жидкости, то можно использовать следующее уравнение: v = √(2gh) где:

• v - скорость истечения жидкости.
• g - ускорение свободного падения.
• h - вертикальное расстояние от отверстия до уровня жидкости.

Важно отметить, что при истечении жидкости под уровень скорость будет максимальной, когда отверстие находится на уровне жидкости, и она будет уменьшаться по мере уменьшения глубины.

1. Истечение жидкости через насадки при постоянном напоре:

• При истечении жидкости через насадки (или сопла) при постоянном напоре можно использовать уравнение Торричелли для определения скорости истечения. Уравнение Торричелли в этом случае также применимо, как и в случае истечения через отверстия: v = √(2gh) где:

• v - скорость истечения жидкости.
• g - ускорение свободного падения.
• h - высота (глубина) уровня жидкости над насадкой или соплом.

1. Истечение жидкости через отверстия и насадки при переменном напоре:

• При переменном напоре, например, при изменении уровня жидкости или давления в системе, скорость истечения жидкости также будет меняться. Для описания таких процессов могут использоваться уравнения динамики жидкости, которые учитывают изменение давления и объемного расхода с течением времени.
• Для конкретных случаев истечения через насадки или отверстия при переменном напоре может потребоваться дополнительное уравнение или анализ, чтобы определить скорость и расход жидкости в каждый момент времени.

1. Гидравлический удар в трубах:

• Гидравлический удар - это резкое изменение давления в системе трубопроводов вследствие быстрого открытия или закрытия вентилей или изменения скорости движения жидкости. Гидравлический удар может вызывать ударные волны и повреждения трубопроводов, насосов и другого оборудования.
• Для предотвращения гидравлического удара в системах используются различные методы, такие как установка смягчающих клапанов (гидроаккумуляторов) или применение специальных амортизаторов для сглаживания изменений давления.

1. Расчет простого трубопровода:

• Расчет простого трубопровода включает в себя определение параметров, таких как расход жидкости, диаметр трубы, скорость потока, потери напора, давление и другие характеристики. Основные шаги при расчете простого трубопровода включают:

1. Определение начальных и конечных условий (давления, расхода, температуры).
2. Выбор материала для труб и насосов.
3. Определение геометрии трубопровода (диаметр, длина, изгибы).
4. Расчет потерь напора в системе (трение, внезапные расширения или сужения, изгибы).
5. Определение необходимой мощности насоса.
6. Выбор насоса с учетом требований к расходу и давлению.

1. Баланс энергии в насосах:

• Баланс энергии в насосах включает в себя учет всех энергий, входящих и выходящих из насоса. Основные компоненты баланса энергии в насосах включают:

• Механическую энергию входящей валовой мощности.
• Энергию, переносимую насосом на жидкость в виде давления и кинетической энергии.
• Потери энергии в насосе, включая потери из-за трения и внутренних потоков.

Этот баланс энергии используется для определения эффективности насоса и его способности перекачивать жидкость на нужное давление и расход.

1. Лопастные и поршневые насосы:

• Лопастные насосы (или центробежные насосы) работают на принципе центробежного движения жидкости. Они используют вращающиеся лопасти для создания центробежных сил, которые выталкивают жидкость из насоса. Эти насосы часто применяются в системах водоснабжения и обработки воды.
• Поршневые насосы используются для перемещения жидкости путем движения поршня внутри цилиндра. Они создают поток жидкости путем изменения объема цилиндра. Поршневые насосы могут обеспечивать более высокое давление и точный контроль расхода, что делает их подходящими для различных промышленных и коммерческих приложений.