Многие тысячелетия человечество применяет энергию движения жидкости в самых разнообразных целях. Процесс круговорота воды в природе становится возможным, благодаря воздействию солнечного излучения. Каждый горный поток, река, ручей участвуют в образовании источника энергии, который так или иначе может быть использован человеком в практических целях.
Рисунок 1. Режимы движения жидкости. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Давление в движущейся жидкости
В текущей жидкости различают два вида давления:
- статическое;
- динамическое.
В качестве причины статического давления выступает сжатие жидкости. Данный вид давления будет проявляться в напоре на стенку трубы, по которой наблюдается течение жидкости. Динамическое давление обусловливается скоростью ее течения, с целью его обнаружения, необходимо приостановить жидкость, и тогда оно покажет себя в виде напора.
Полным давлением считается сумма статического и динамического его видов. В покоящейся жидкости динамическое давление будет равнозначно нулю, следовательно, статическое давление, таким образом, будет равным полному давлению и может измеряться с помощью любого манометра.
Измерить давление в движущейся жидкости становится более трудным процессом. Все дело в манометре, погруженном в такую жидкость, поскольку в этом случае он начинает влиять на скорость ее движения в месте своего нахождения и изменять ее, что непосредственным образом отражается на изменении величины давления. Чтобы избежать этого, манометр должен двигаться вместе с жидкостью, но измерение давления таким способом становится очень трудоемким. С этой целью применяют узкие манометрические трубки.
Так, в манометрической трубке жидкость поднимется на определенную высоту, которая будет соответствовать статическому давлению в данном месте трубы. Полное давление измеряется посредством трубки, плоскость отверстия которой располагается перпендикулярно линиям тока (трубка Пито). Жидкость при попадании в ее отверстие останавливается. Мы наблюдаем соответствие высоты столба жидкости в манометрической трубке полному давлению жидкости в конкретном ее месте.
При измерении статического давления в движущейся жидкости на разных участках трубы переменного сечения, выяснится, что в узкой ее части трубы оно меньше, в отличие от широкой. При этом мы наблюдаем обратно пропорциональные скорости течения жидкости в отношении площадей сечения трубы, что позволяет сделать вывод об отсутствии зависимости давления в движущейся жидкости от скорости её течения.
Виды движения жидкостей
Рисунок 2. Виды движения жидкости. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
К основным видам движения жидкости относятся следующие:
- установившееся и неустановившееся;
- равномерное и неравномерное;
- напорное и безнапорное;
- сплошное и прерывистое.
Установившимся считается такое движение жидкости, при котором сохраняют свою неизменность во времени давление и скорость (в каждой фиксированной точке пространства, сквозь которую будет проходить жидкость).
Движение, при котором наблюдается изменение скорости и давления не только в зависимости от координат пространства, но и от времени, считается неустановившимся (нестационарным). В качестве примера может послужить вытекание жидкости из отверстия при ее переменном уровне в резервуаре: при понижении высоты столба жидкости скорость истечения уменьшается во времени.
Равномерным будет называться такое установившееся движение, которое характеризуется неизменностью живых сечений вдоль потока и средних скоростей по длине потока. Примером служит движение жидкости в цилиндрической трубе.
Установившееся движение становится равномерным при неодинаковости распределения скоростей в разных поперечных сечениях. Средняя скорость и площадь поперечного сечения потока при этом могут быть вдоль потока постоянными (пример - движение жидкости в конической трубе).
Напорным считается движение жидкости, при котором наблюдается заключение потока в твердые стенки с отсутствием свободной поверхности. Напорное движение будет происходить в таком случае за счет разности давлений и под воздействием силы тяжести (пример - движение жидкости в водопроводных трубах).
При безнапорном движении жидкости поток имеет свободную поверхность (пример - движение жидкости в канализационных трубах). Безнапорное движение осуществляется под воздействием силы тяжести и благодаря начальной скорости.
В физике наблюдается еще один вид движения: свободная струя (не ограниченный твердыми стенками поток), жидкость при этом движется по инерции. Примером служит вода из водопроводного крана.
Плавно изменяющимся будет считаться такое движение жидкости, кривизна струек при котором остается незначительной (равнозначной нулевому значению или близкой к нему), а угол расхождения между струйками достаточно мал.
Методы описания движения жидкости
В физике существует два способа для описания движения жидкости:
- способ Лагранжа;
- способ Эйлера.
Рисунок 3. Метод Лагранжа. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Способ Лагранжа будет заключаться в том, что задаются начальные текущие значения координат каждой из рассматриваемых материальных точек в качестве функции времени. Способ Лагранжа возможен к теоретическому применению при описании движения жидкости (при условии рассмотрения этого движения в формате непрерывного потока частиц жидкости, которая составляют сплошную среду).
Несмотря на наличие полной информации относительно движения массы жидкости, которую обеспечивает метод Лагранжа, широкого задействования в механике жидкости он не получил. Это объясняется тем, что составляемые на основе данного метода уравнения движения являются довольно сложными и трудно разрешимыми. Это, в свою очередь, объясняет необходимость применения в механике жидкостей метода Эйлера.
Рисунок 4. Метод Эйлера. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Способ Эйлера базируется на том факте, что мгновенные местные скорости в своей совокупности во всей области пространства, которое занято движущейся жидкостью, представляет векторное поле (оно называется полем скоростей). В нем выбирается фиксированная точка, в которой отслеживаются с течением времени изменения скоростей.
