Жидкостью называют физическое тело (сплошная непрерывная среда), обладающее свойством текучести, в силу чего жидкость не имеет собственной формы, а принимает форму сосуда, в который ее помещают.
Текучесть – способностью деформироваться под воздействием ничтожно малых сил.
Капельная жидкость — малосжимаемые жидкости, обладающие определённым объёмом, величина которого практически не изменяется под воздействием внешних сил.
Газообразные жидкости — легко меняют объем при изменении давления и температуры, и имеют значительно меньшую плотность, чем капельные жидкости.
Гидравлика рассматривает только капельные жидкости, однако многие свойства капельных и газообразных жидкостей, а также многие механические законы для них одинаковы.
Все действующие в жидкости силы можно разделить на две группы:
- силы поверхностные, пропорциональные площади поверхности, на которой они обнаруживаются;
- силы объемные (массовые), пропорциональные
объему (или массе) жидкости.
Первые основные уравнения гидравлики были выведены для идеальной жидкости.
Идеальной жидкостью называется несуществующая жидкость, которая абсолютно не сопротивляется ни разрыву, ни сдвигу, но совершенно не меняет своего объема при воздействии сжимающих сил.
Реальная жидкость – жидкость, при движении которой возникают касательные напряжения (внутреннее трение).
Удельным весом жидкости γ называют вес единицы ее объема:
Размерность удельного веса в системе СИ — н/м3.
Отношение веса данной жидкости к весу такого же объема дистиллированной воды при температуре 4°С называют относительным удельным весом. Относительный удельный вес — величина безразмерная.
Плотностью жидкости р называют массу единицы ее объема:
где m — масса жидкости объемом V.
m = ρV
γ = G/V=mg/V = ρgV/V = ρg.
γ = ρg.
Отсюда получаем размерность плотности жидкости: в системе СИ [ρ] =кг/м3.
Все реальные жидкости в той или иной степени обладают сжимаемостью, т.е. способностью уменьшаться в объеме под воздействием сжимающих сил.
Если на некоторый объем V жидкости, находящейся в сосуде, оказывать при помощи поршня давление, то получится некоторый новый объем, равный V.
Относительное уменьшение объема жидкости V при увеличении давления р на единицу называют коэффициентом объемного сжатия [м2/Н], т.е. сжимаемость жидкости определяется коэффициентом объемного сжатия.
где Еw – модуль упругости жидкости;
Vo – начальный объем жидкости;
dV – его изменение под влиянием изменения давления dp.
Величину, обратную коэффициенту объемного сжатия, называют модулем упругости.
При нагревании объем всех жидких тел увеличивается. Изменение объема жидкости при нагревании характеризуют коэффициентом температурного расширения, который показывает относительное увеличение объема жидкости при увеличении ее температуры на 1°:
где V, V1 — объемы жидкости соответственно до и после изменения температуры на t°C. Измеряется в [1/°С.]
Значение коэффициента температурного расширения t зависит от давления, действующего на рассматриваемый объем жидкости.
Все жидкости в какой-то мере способны сопротивляться растягивающим усилиям, т.е. они обладают свойством сцепления.
Более отчетливо силы сцепления проявляются в тончайшем поверхностном слое толщиной r, который испытывает одностороннее воздействие молекул нижележащей жидкости, из-за чего пребывает как бы в натянутом состоянии и постоянно давит внутрь жидкости. Это явление называется поверхностным натяжением.
Вязкостью называется способность жидкости сопротивляться деформации сдвига. Деформация возникает при движении жидкости вдоль твердой поверхности или между твердыми стенками.
Впервые предположение о наличии сил внутреннего трения высказал И. Ньютон в 1686 г., а достоверность этой гипотезы экспериментально обосновал и подтвердил профессор Н.П. Петров в 1883 г. Согласно гипотезе И. Ньютона величина сил внутреннего у трения между слоями не зависит от давления, а зависит от рода жидкости, площади соприкосновения слоев и относительной скорости перемещения.
Таким образом, сила взаимодействия, возникающая между слоями жидкости, определяется по закону Ньютона, выраженному математически Н.П. Петровым
где – напряжение сил трения, возникающих на поверхности соседних
слоев;
– коэффициент динамической вязкости, характеризующий свойства
данной жидкости (иногда его называют коэффициентом абсолютной
вязкости),
Па*с; du/dу – градиент скорости u по нормали, или скоростная
деформация (du – приращение скорости между слоями, dу – приращение
координаты); S – площадь соприкасающихся слоев.
Касательные напряжения, Па, вызванные силой трения, равны.
Знак в уравнении принимают в зависимости от знака градиента скорости du/dу, который может быть и положительным, и отрицательным, в то время как напряжение сил трения должно быть всегда положительным.
Физический смысл коэффициента динамической вязкости можно понять, приняв du/dу = 1. Тогда коэффициент динамической вязкости можно рассматривать как напряжение внутреннего трения при градиенте скорости, равном единице.
В системе СИ измеряется в [Н*с /м2= Па*с].
Значение находят опытным путем с помощью приборов, называемых вискозиметрами.
Текучесть жидкостей характеризуется величиной, обратной коэффициенту динамической вязкости: =1/ (1/Па*с).
При практических расчетах часто используют кинематический коэффициент вязкости, представляющий собой отношение динамического
коэффициента вязкости к плотности жидкости:
где р — плотность; — удельный вес жидкости.
В системе СИ измеряется в [м2 / c].
Определение условной (относительной) вязкости производится на специальном приборе — вискозиметре Энглера.
Вязкость, выраженную в °Е, можно пересчитать в абсолютные единицы. Вискозиметр Энглера предназначен для определения вязкости жидкостей более вязких, чем вода, что подтверждает формула
Аномальные жидкости
Из закона трения видно, что напряжение трения может возникать только в движущейся жидкости при наличии скоростной деформации. В покоящейся жидкости скоростная деформация равна нулю; следовательно, касательные напряжения также равны нулю.
Существуют жидкости, к которым относятся нефть и некоторые нефтепродукты, битумные и полимерные материалы, различного рода суспензии и коллоидные растворы (например, зубная паста). Такие жидкости называют аномальными или неньютоновскими. Они отличаются от нормальных (ньютоновских) наличием сил трения даже в состоянии покоя, что препятствует переходу жидкостей в движение до определенного напряженного состояния.
Особенность движения аномальных жидкостей была выявлена русским ученым Ф. Н. Шведовым еще в 1889 г., а затем исследована и описана американским ученым Бингемом в 1916 г.