Гидравлика. Конспект лекций

6187302b

Физический смысл основного закона гидростатики


Полученный выше основной закон гидростатики несложно вывести, опираясь на следующие рассуждения. Они не носят строгого математического характера, но правильно отражают физику явления.

Физический смысл основного закона гидростатики
Рассмотрим произвольную точку a внутри покоящегося объёма жидкости, которая расположена на какой-то высоте относительно некоторого произвольного уровня. Этот уровень назовём нулевым уровнем (нулевой линией). Будем считать, что на этой линии потенциальная энергия, зависящая от положения рассматриваемого объёма жидкости, равна 0. С точки зрения практики можно считать, что это уровень, ниже которого рассматриваемый объём жидкости не может пролиться. Например, для лабораторного стакана это уровень стола, для гидросистемы станка – уровень пола, для системы отопления - уровень земли или подвала.

dW

Вблизи т. a  выберем элементарный объём dW. Выразим потенциальную энергию этого объёма, как сумму двух составляющих: энергии, зависящей от положения над нулевой линией
Физический смысл основного закона гидростатики
, и энергии сжатия
Физический смысл основного закона гидростатики
, зависящей от степени внутреннего напряжения в выбранном объёме.

Физический смысл основного закона гидростатики

где    

Физический смысл основного закона гидростатики
 - давление в т. a,

Физический смысл основного закона гидростатики
 - масса объёма dW, выбранного вокруг т. a.

Физический смысл основного закона гидростатики

Тогда потенциальная энергия будет выражена

Физический смысл основного закона гидростатики
Физический смысл основного закона гидростатики

Если учесть, что

Физический смысл основного закона гидростатики
, и подставить его в последнее выражение, получится

Физический смысл основного закона гидростатики

Раскрыв скобки, получим

Физический смысл основного закона гидростатики

После сокращения будем иметь

Физический смысл основного закона гидростатики

С другой стороны исходное выражение для потенциальной энергии рассматриваемого объёма имеет вид

Физический смысл основного закона гидростатики
. Тогда можно записать

Физический смысл основного закона гидростатики
.

Разделим обе части этого выражения на вес рассматриваемого объёма

Физический смысл основного закона гидростатики
. В результате получится уже известное выражение основного закона гидростатики

Физический смысл основного закона гидростатики

Если вспомнить, что т. a была выбрана произвольно, можно записать полученное равенство в общем виде

Физический смысл основного закона гидростатики

Из вывода ясно, что физический смысл основного закона гидростатики – закон сохранения энергии для покоящейся жидкости, который говорит о том, что механическая энергия любой частицы жидкости одинакова.

В этом выражении:

Физический смысл основного закона гидростатики
 - потенциальная энергия единицы веса жидкости, определяемая положением над нулевой линией,

Физический смысл основного закона гидростатики
 - потенциальная энергия единицы веса жидкости, зависящая от степени её сжатия.

В геометрической интерпретации константу  обозначают буквой H и называют гидростатическим напором, а саму формулу записывают в виде:

Физический смысл основного закона гидростатики

Слагаемые основного закона гидростатики в этом случае называют:

Физический смысл основного закона гидростатики
 - нивелирная высота,

Физический смысл основного закона гидростатики
 - пьезометрическая высота.



Содержание раздела