10952

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

В.В. Агеева

МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекциям (включая рекомендации обучающимся по организации

самостоятельной работы и выполнению расчетно-графических работ) для обучающихся по дисциплине «Механика жидкости и газа» направлению подготовки 08.03.01 – Строительство

направленность (профиль) – Автомобильные дороги

Нижний Новгород

2022

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

В.В. Агеева

МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекциям (включая рекомендации обучающимся по организации

самостоятельной работы и выполнению расчетно-графических работ) для обучающихся по дисциплине «Механика жидкости и газа» направлению подготовки 08.03.01 – Строительство

направленность (профиль) – Автомобильные дороги

Нижний Новгород

2022

УДК 532 (76)

Агеева В.В. / Механика жидкости и газа [Электронный ресурс]: учеб. – метод. пос. / В.В. Агеева; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун-т – Н. Новгород:

ННГАСУ, 2022 – 317 с.

Учебно-методическое пособие содержит курс лекций (включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по гидростатике и гидродинамике, справочные данные, примеры расчетов и решения задач разделов, предусмотренных учебной программой, рассмотрено содержание и последовательность выполнения расчетно-графической работы, даны рекомендации и указания к выполнению лабораторных работ.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ по дисциплине «Механика жидкости и газа» по направлению подготовки 08.03.01 Строительство; направленность (профиль) Автомобильные дороги

© В.В. Агеева

©ННГАСУ, 2022.

3

Содержание

3ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СООРУЖЕНИЙ. СТАТИКА ЖИДКОСТИ.

4

ГИДРАВЛИКА. Часть 1.

ГИДРОСТАТИКА. Курс лекций

5

1 Введение в гидравлику

1.1Определение науки «Гидравлика»

Исследование вопросов движения различных жидкостей, их силового воздействия на обтекаемые твердые тела привело к созданию обширной науки – «Механика жидкого тела» или «Механики жидкости».

«Механика жидкости» (Гидромеханика) разделяется на «Статику жидкости» - («Гидростатику») и «Динамику жидкости» («Гидродинамику»). В последнюю может быть включена «Кинематика жидкого тела».

Механика жидкости (Гидромеханика) развивалась по двум направлениям:

1)по направлению техническому (в высших технических учебных заведениях);

2)по чисто теоретическому направлению (в университетах).

По этой причине в области единой науки механики жидкости различают две (условно) разные науки:

1)техническую (прикладную) механику жидкости (техническую гидромеханику), которую называют обычно «Гидравликой» (изучают в технических учебных заведениях);

2)теоретическую механику жидкости (теоретическую гидромеханику) (изучают в университетах).

Различие между этими двумя науками, имеющими один и тот же объект исследования, заключается в следующем:

1)В технической механике жидкости (гидравлике) при решении различных практических задач широко используются те или иные допущения и предположения, упрощающие рассматриваемый вопрос. Поэтому гидравлические решения сплошь и рядом носят приближенный характер. Очень часто они основываются на результатах экспериментов, и поэтому в технической механике жидкости приводятся различные эмпирические и «полуэмпирические» формулы, при этом стремятся к оценке только главных характеристик изучаемого явления и часто оперируют теми или иными осредненными величинами.

2)В теоретической механике жидкости широко используется очень сложный математический аппарат, причем этот аппарат прилагается к упрощенным схемам движения жидкости. Решения оказываются столь сложными, что не удается получить конкретных ответов практических задач.

1.2Понятие жидкости

Существуют твердые, жидкие и газообразные тела.

Жидкость – это физическое тело, обладающее двумя особыми свойствами:

1.Она очень мало изменяет свой объем при изменении давления или температуры. В этом сходна с твердым телом.

2.Обладает текучестью, поэтому не имеет собственной формы и принимает форму того сосуда, в котором находится.

Причина в том, что жидкость не способна сопротивляться внутренним касательным усилиям, т.е. усилиям, действующим вдоль поверхностей сдвига

6

1.3 Понятия о реальной и идеальной жидкости. Вязкость

Отмечено, что жидкости, встречающиеся в природе (реальные жидкости), очень мало изменяют свой объем при изменении температуры и давления (но в обычных пределах). Поэтому изменениями объема пренебрегают. И в гидравлике жидкость рассматривают как абсолютно несжимаемое тело.

В покоящейся жидкости касательные напряжения всегда отсутствуют. В движущейся жидкости, как показывают исследования, касательные напряжения имеют место.

Рис.1.1 - Истечение из отверстия На поверхности соприкасания жидких слоев друг с другом возникает трение,

которое и уравновешивает внутренние касательные силы Свойство жидкости, обусловливающее возникновение в ней

при ее движении касательных напряжений (напряжений трения), называется вязкостью.

8

Но мы обычно не рассматриваем жидкость в замкнутом сосуде, подвергающуюся равномерному всестороннему растяжению. Поэтому в ней могли бы в реальных условиях появиться касательные напряжения, заставляющие ее течь.

1.4.5Капиллярное поднятие жидкости.

Капиллярность – свойство породы подтягивать воду вверх по тонким капиллярным каналам над свободным уровнем воды. Столб капиллярного поднятия hк зависит от пористости и характеристики грунтов; в связных грунтах (глинистых) высота капиллярного поднятия значительно больше, чем в несвязных (песчаных).

Причина капиллярного поднятия до сих пор до конца не выяснена.

1.4.6Особые состояния жидкости.

Жидкость, состоящая из молекул, строго говоря, имеет прерывную структуру. Однако при решении различных задач прерывностью пренебрегают и рассматривают жидкость как сплошную однородную среду.

Но, в зависимости от давления и температуры (при повышении давления или снижения температуры) в воде наблюдается образование кристаллов льда. Вместо однородной среды получается двухфазная среда: вода + лед. В воде образуются разрывы при кипении и кавитации. Обычно вода содержит растворенный воздух. Из физики известно: при снижении давления р в жидкости или при повышении температуры воздух начинает выделяться из отдельных элементарных объемов воды (в воде образуются разрывы сплошности – получается двухфазная среда: вода + воздух).

Представим воду, не содержащую растворенного воздуха. Пусть рн.п. – давление напоров воды, насыщающих то пространство, в котором они находятся. рн.п. – давление насыщенных паров.

В обычных условиях в воде возникают пузырьки, заполненные насыщенными парами воды. Получается двухфазная среда: вода + пузырьки пара.

Кипение – явление, при котором пузырьки пара, появившиеся в жидкости выходят из нее через свободную поверхность.

Кавитация – явление, когда пузырьки пара не выходят на поверхность, а захлопываются (закрываются) внутри жидкости.

Существует явление аэрации потока, когда движущийся бурлящий поток захватывает пузырьки воздуха.

1.4.7 Силы, действующие на жидкость Жидкость в спокойном или движущемся состоянии является системой

материальных точек (частиц). Все силы, действующие на эти частицы, разделяются на две группы:

а) внутренние силы; б) внешние силы.

Внутренние силы определяются воздействием сил, приложенных к частицам рассматриваемого объема жидкости со стороны внешних вещественных тел (физических полей), в частности, со стороны жидкости, окружающей рассматриваемый объем.

Внешние силы подразделяются на две группы сил:

1) Силы массовые. Эти силы действуют на все частицы жидкости, составляющие рассматриваемый объем. Для однородной жидкости (ρ = const) массовые силы называются объемными силами. К числу объемных сил относят:

1.4Собственный вес жидкости;

1.5Силы инерции.

Интенсивность (плотность распределения) объемных сил в различных точках пространства, занятого жидкостью, величина объемной силы F, приложенной к данному объему V жидкости, равна

2) Силы поверхностные. Эти силы приложены к поверхности ограничивающей рассматриваемый объем жидкости.

К числу поверхностных сил относится:

а) атмосферное давление, действующее на свободную поверхность; б) силы трения, действующие по поверхности, намеченные внутри жидкости.

Если поверхностная сила Р распределяется равномерно по рассматриваемой поверхности площадью S, величина этой силы