Такие разделы физики, как гидростатика и гидродинамика, объединяет в себе один - гидравлика.
Гидравлика является прикладной наукой о законах движения и способах их приложения к решению задач инженерной практики.
Гидравлика
Рисунок 1. Разделы гидравлики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Гидравлика в физике характеризуется особенным подходом в плане изучения явлений течения жидкостей. Так, она помогает устанавливать приближенные зависимости, ограничиваясь при этом (в большинстве случаев) исследованием одноразмерного движения. При этом она активно задействует различные эксперименты в лабораторных условиях.
Сама наука разделена на две основные части:
- теоретическую (занимается изучением наиболее важных положений равновесия и движением разных жидкостей);
- практическую (предусматривает активное применение теоретических положений в плане решений инженерно-практических вопросов).
Гидравлическая практика, в свою очередь, включила в себя следующие подразделы, каждый из которых занимается исследованием движения жидкостей в неустановившемся и установившемся состояниях:
- трубопроводная гидравлика;
- закономерности открытых русел;
- течение различных жидкостей из отверстий и через сливы;
- теория гидравлической фильтрации.
В современной науке, таким образом, основной акцент делается на три важных раздела: гидродинамику, гидростатику и кинематическую гидравлику.
Основы гидростатики
Гидростатика является важным разделом гидромеханики, который занимается изучением равновесия жидкостей и воздействия покоящейся жидкости на погруженное в нее тело.
В качестве одной из главных задач гидростатики выступает задача исследования распределения давления в жидкости. При известном распределении давления, становятся возможными расчеты силы, воздействующей со стороны покоящейся жидкости на тела, которые в нее погружены (к примеру, таким телом может быть подводная лодка, стена плотины и пр.)
В частности, становится доступным выведение условий плавания тела на поверхности жидкости или внутри нее. Также можно установить, какие условия потребуются плавающим телам для устойчивости (особенно актуально в кораблестроении).
На определенных законах (в частности, законе Паскаля) основывается действие гидравлических пресса, аккумулятора, жидкостного манометра, а также многих других приборов и машин.
Одним из главных законов в гидростатике считается закон Архимеда, позволяющий определять воздействующую на тело величину подъемной силы, что происходит в момент его погружения в газ либо жидкость вместе с сосудом таким образом, что в отношении него она будет покоиться.
Принципы законов гидростатики позволяют определять форму поверхности жидкости, например, во вращающихся сосудах. По причине того, что поверхность жидкости всегда будет установлена таким образом, что сумма всех действующих на частицы жидкости сил (сила давления в данном случае становится исключением) оказывается нормальной по отношению к поверхности.
В цилиндрическом, равномерно вращающемся вокруг вертикальной оси, сосуде поверхность жидкости будет принимать форму параболоида вращения. Подобным образом будет обстоять дело и в акваториях океанов. Так, поверхность воды в них не будет в точности шаровой, а несколько «сплюснутой» к полюсам.
Рисунок 2. Законыгидростатики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Такое же объяснение актуально и для «сплюснутой» к полюсам формы самого земного шара. Законы гидростатики, таким образом, способствуют определению формы поверхности вращающейся равномерно жидкости, что очень актуально в космогонии (науке исследования происхождения и развития космических тел).
Основы гидродинамики
Гидродинамика в физике является еще одним разделом гидравлики, занимающимся изучением законов механического движения жидкости, а также ее взаимодействия с подвижными и неподвижными типами поверхностей.
Рисунок 3. Гидродинамика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В качестве одной из наиболее важных задач гидродинамики выступает выявление гидродинамических характеристик потока. Объектами исследования здесь выступают гидродинамическое давление, скорость движения жидкостей, сопротивление движению жидкостей и изучение их взаимозависимости.
Кинематика жидкости зачастую рассматривается в гидравлике совместно с динамикой. При этом она будет отличаться от нее изучением разновидностей и кинематических характеристик движения жидкостей, не учитывая при этом силы воздействия на осуществление движения. В то же время, динамика жидкости акцентирует внимание на изучении законов ее движения, в зависимости от сил, которые были приложены к ней.
Жидкость в гидравлике будет рассматриваться в качестве непрерывной среды, сплошь заполняющей некоторое пространство, исключая образование пустот. Провокаторами ее движения выступают такие внешние силы как: внешнее давление, сила тяжести и др.
Зачастую, эти силы уже заданы в условиях задач гидродинамики, требующих решения. Неизвестными факторами остаются: внутреннее гидродинамическое давление и скорость течения жидкости в каждой определенной точке некоего пространства. При этом гидродинамическое давление в каждой точке считается функцией не только ее координат (как это было в отношении гидростатического давления), но и функция времени (что подразумевает ее способность к изменению со временем).
Существует два следующих метода изучения движения жидкости:
- Метод Лагранжа (заключается в изучении движения каждой из частиц жидкости и исследовании траектории их движения). Однако значительная трудоемкость данного метода не обеспечила ему широкое распространение.
- Метод Эйлера (основывается на рассмотрении полной картины движения жидкости в разных точках пространства в конкретный момент времени). Метод позволяет вычислять скорость движения жидкости в любой точке пространства совершенно в любой временной промежуток. Иными словами, он будет характеризоваться построением поля скоростей, что обеспечивает ему достаточно широкое применение при исследовании движения жидкости. В качестве недостатка в этом методе физики называют отсутствие изучения траектории отдельных частиц жидкости при рассмотрении поля скоростей.
