Меню

Виды гидростатического давления единицы его измерения



Гидростатическое давление: формула и свойства.

Гидростатическое давление – это давление, производимое на жидкость силой тяжести.

Гидростатикой называется раздел гидравлики, в котором изучаются законы равновесия жидкостей и рассматривается практическое приложение этих законов.

Для того, чтобы понять гидростатику необходимо определиться в некоторых понятиях и определениях.

В этой статье мы подготовили для Вас, всю необходимую информацию о гидростатическом давлении, начиная от закона Паскаля и определения формулы гидростатического давления и до свойств давления и применения законов гидростатики в повседневной жизни.

Содержание статьи

Закон Паскаля для гидростатики.

В 1653 году французским ученым Б. Паскалем был открыт закон, который принято называть основным законом гидростатики.

Давление на поверхность жидкости, произведенное внешними силами, передается в жидкости одинаково во всех направлениях.

Закон Паскаля легко понимается если взглянуть на молекулярное строение вещества. В жидкостях и газах молекулы обладают относительной свободой, они способны перемещаться друг относительно друга, в отличии от твердых тел. В твердых телах молекулы собраны в кристаллические решетки.

Относительная свобода, которой обладают молекулы жидкостей и газов, позволяет передавать давление производимое на жидкость или газ не только в направлении действия силы, но и во всех других направлениях.

Закон Паскаля для гидростатики нашел широкое распространение в промышленности. На этом законе основана работа гидроавтоматики, управляющей станками с ЧПУ, автомобилями и самолетами и многих других гидравлических машин.

Определение и формула гидростатического давления

Из описанного выше закона Паскаля вытекает, что:

Величина гидростатического давления не зависит от формы сосуда, в котором находится жидкость и определяется произведением

ρ – плотность жидкости

g – ускорение свободного падения

h – глубина, на которой определяется давление.

Для иллюстрации этой формулы посмотрим на 3 сосуда разной формы.

Во всех трёх случаях давление жидкости на дно сосуда одинаково.

Полное давление жидкости в сосуде равно

P0 – давление на поверхности жидкости. В большинстве случаев принимается равным атмосферному.

Сила гидростатического давления

Выделим в жидкости, находящейся в равновесии, некоторый объем, затем рассечем его произвольной плоскостью АВ на две части и мысленно отбросим одну из этих частей, например верхнюю. При этом мы должны приложить к плоскости АВ силы, действие которых будет эквивалентно действию отброшенной верхней части объема на оставшуюся нижнюю его часть.

Рассмотрим в плоскости сечения АВ замкнутый контур площадью ΔF, включающий в себя некоторую произвольную точку a. Пусть на эту площадь воздействует сила ΔP.

Тогда гидростатическое давление формула которого выглядит как

представлет собой силу, действующую на единицу площади, будет называться средним гидростатическим давлением или средним напряжением гидростатического давления по площади ΔF.

Истинное давление в разных точках этой площади может быть разным: в одних точках оно может быть больше, в других – меньше среднего гидростатического давления. Очевидно, что в общем случае среднее давление Рср будет тем меньше отличаться от истинного давления в точке а, чем меньше будет площадь ΔF, и в пределе среднее давление совпадет с истинным давлением в точке а.

Для жидкостей, находящихся в равновесии, гидростатическое давление жидкости аналогично напряжению сжатия в твердых телах.

Единицей измерения давления в системе СИ является ньютон на квадратный метр (Н/м 2 ) – её называют паскалем (Па). Поскольку величина паскаля очень мала, часто применяют укрупненные единицы:

килоньютон на квадратный метр – 1кН/м 2 = 1*10 3 Н/м 2

меганьютон на квадратный метр – 1МН/м 2 = 1*10 6 Н/м 2

Давление равное 1*10 5 Н/м 2 называется баром (бар).

В физической системе единицей намерения давления является дина на квадратный сантиметр (дина/м 2 ), в технической системе – килограмм-сила на квадратный метр (кгс/м 2 ). Практически давление жидкости обычно измеряют в кгс/см 2 , а давление равное 1 кгс/см 2 называется технической атмосферой (ат).

Между всеми этими единицами существует следующее соотношение:

1ат = 1 кгс/см 2 = 0,98 бар = 0,98 * 10 5 Па = 0,98 * 10 6 дин = 10 4 кгс/м 2

Следует помнить что между технической атмосферой (ат) и атмосферой физической (Ат) существует разница. 1 Ат = 1,033 кгс/см 2 и представляет собой нормальное давление на уровне моря. Атмосферное давление зависит от высоты расположения места над уровнем моря.

Измерение гидростатического давления

На практике применяют различные способы учета величины гидростатического давления. Если при определении гидростатического давления принимается во внимание и атмосферное давление, действующее на свободную поверхность жидкости, его называют полным или абсолютным. В этом случае величина давления обычно измеряется в технических атмосферах, называемых абсолютными (ата).

Читайте также:  Обработка ряда двойных равноточных измерений

Часто при учете давления атмосферное давление на свободной поверхности не принимают во внимание, определяя так называемое избыточное гидростатическое давление, или манометрическое давление, т.е. давление сверх атмосферного.

Манометрическое давление определяют как разность между абсолютным давлением в жидкости и давлением атмосферным.

Рман = Рабс – Ратм

и измеряют также в технических атмосферах, называемых в этом случае избыточными.

Случается, что гидростатическое давление в жидкости оказывается меньше атмосферного. В этом случае говорят, что в жидкости имеется вакуум. Величина вакуума равняется разнице между атмосферным и и абсолютным давлением в жидкости

Рвак = Ратм – Рабс

и измеряется в пределах от нуля до атмосферы.

Свойства гидростатического давления

Гидростатическое давление воды обладает двумя основными свойствами:
Оно направлено по внутренней нормали к площади, на которую действует;
Величина давления в данной точке не зависит от направления (т.е. от ориентированности в пространстве площадки, на которой находится точка).

Первое свойство является простым следствием того положения, что в покоящейся жидкости отсутствуют касательные и растягивающие усилия.

Предположим, что гидростатическое давление направлено не по нормали, т.е. не перпендикулярно, а под некоторым углом к площадке. Тогда его можно разложить на две составляющие – нормальную и касательную. Наличие касательной составляющей из-за отсутствия в покоящейся жидкости сил сопротивления сдвигающим усилиям неизбежно привело бы к движению жидкости вдоль площадки, т.е. нарушило бы её равновесие.

Поэтому единственным возможным направлением гидростатического давления является его направление по нормали к площадке.

Если предположить что гидростатическое давление направлено не по внутренней, а по внешней нормали, т.е. не внутрь рассматриваемого объекта а наружу от него, то вследствие того, что жидкость не оказывает сопротивления растягивающим усилиям – частицы жидкости пришли бы в движение и её равновесие было бы нарушено.

Следовательно, гидростатическое давление воды всегда направлено по внутренней нормали и представляет собой сжимающее давление.

Из этого же правило следует, что если измениться давление в какой-то точке, то на такую же величину измениться давление в любой другой точке этой жидкости. В этом заключается закон Паскаля, который формулируется следующим образом: Давление производимое на жидкость, передается внутри жидкости во все стороны с одинаковой силой.

На применение этого закона основываются действие машин, работающих под гидростатическим давлением.

Ещё одним фактором влияющим на величину давления является вязкость жидкости, которой до недавнего времени приято было пренебрегать. С появлением агрегатов работающих на высоком давлении вязкость пришлось так же учитывать. Оказалось, что при изменении давления, вязкость некоторых жидкостей, таких как масла, может изменяться в несколько раз. А это уже определяет возможность использовать такие жидкости в качестве рабочей среды.

Источник

Гидростатическое давление и его свойства. Единицы давления

Выделим в жидкости некоторый объем (рис. 3.1) и разделим его на две части горизонтальной плоскостью с площадью поверхности раздела S. Заменим силы, с которыми верхняя часть выделенного объема воздействует на нижнюю часть, равнодействующей силой Е. Равновесие жидкости при этом не нарушится. Разложим эту силу Е на две составляющие: нормальную силу F и касательную Т. Предположим, что жидкость находится в состоянии покоя. Тогда касательные напряжения в покоящейся жидкости будут равны нулю, соответственно, Т=0. Как отмечалось выше, напряжения растяжения в жидкости равны нулю, следовательно, в покоящейся жидкости возможны только напряжения сжатия, а сила гидростатического давления F=E. Причем сила F будет нормальна к поверхности площадью S и она – сила гидростатического давления. Напряжения, которые при этом возникают, являются напряжениями сжатия жидкости σ или гидростатическим давлением р.

Напряжения, возникающие в покоящейся жидкости под действием сжимающих сил, называются гидростатическим давлением.

При равномерном распределении силы F по площади S гидростатическое давление р равно:

. (3.1)

Когда сила F неравномерно распределена по площади S, тогда и давление р в каждой точке этой площади различно. В этом случае имеет место давление в точке. Выделим на упомянутой плоскости элементарную площадку ΔS (см. рис. 3.1), на которую будет приходиться элементарная сила гидростатического давления ΔF. Тогда давление в точке будет равно:

(3.2)

Гидростатическое давление характеризуется следующими основными свойствами.

Читайте также:  Способы измерения мощности схемы

Первое свойство. Гидростатическое давление направлено внутрь рассматриваемого объема жидкости по нормали к поверхности (по внутренней нормали), на которую действует, и создает только напряжение сжатия. Это свойство вытекает из определения гидростатического давления, т.к. напряжения сжатия возникают от нормально действующих сжимающих сил.

Второе свойство. Давление на поверхность жидкости, производимое внешними силами, передаётся жидкостью одинаково во всех направлениях. Установлен Б. Паскалем и опубликован в 1663 г. На основе закона Паскаля основано действие гидравлических прессов и других объемных гидроприводов.

Третье свойство. Гидростатическое давление в различных точках покоящейся жидкости различно и является функцией координат точки, т.е. p = f(x,y,z). Тогда полный дифференциал давления равен:

. (3.3)

В Международной системе единиц давление измеряется в паскалях (Па, Ра). 1 Па – это давление, вызываемое силой в 1 Н, равномерно действующей на площади в 1 м 2 . В странах Евросоюза широко используется внесистемная единица – бар (bar): 1 бар=10 5 Па. В странах Британского содружества и США в качестве единиц давления используются 1 фунт на 1 дюйм 2 [pound square inches (PSI)] и 1 фунт на 1 фут 2 [pound square feet (psf)]: 1 PSI=6894,76 Па и 1 psf=47,8 Па.

Источник

Гидростатическое давление и его характеристика

Что такое гидростатическое давление? Какими характеристиками оно обладает и в каких единицах измеряется? Если вы любите исследовать физические величины, тогда смело читайте статью до конца.

Общее представление о гидростатическом давлении

Гидростатическое давление – это сила давления водного столба над определенным, условно обозначенным уровнем. Полная удобная подвижность частиц капель жидкости или газа позволяет, находясь в состоянии покоя, передать равносильно давление по всем направлениям. Таким образом, давление воздействует на любую часть плоскостей, что ограничивают жидкость, при использовании силы P, которая по своей характеристике пропорциональна размеру данной поверхности либо направлена по нормали в ее сторону. Гидростатическим давлением называют отношение между Pw, иначе говоря, это давление, создаваемое р на поверхности, равной единице.

В итоге мы получаем довольно легкое уравнение P = pw, которое позволяет точно вычислять давление на конкретную поверхность чего-либо, например сосуда, газа или жидкостных капель, что находятся в условиях, создающих очень малое давление в сравнении с тем, что передается снаружи. К этому аспекту явлений можно отнести практически любые случаи газового давления и расчетов давления воды, находящейся в гидравлическом прессе или аккумуляторе.

Блез Паскаль открыл и описал это жидкостное свойство в 1653-м, однако Симон Стевин знал и использовал это понятие немного раньше.

Разновидности

Виды гидростатического давления:

  • Абсолютное, или полное – это давление в любых произвольно взятых точках или жидкостном сечении, равному наружной силе д-ния на ее свободной поверхность P и сложенному со столбом жидкостного давления pgh. Показатель основания жидкостного давления при этом равен единице измерения площади, а высота соответствует глубине, на которую погружена точка или жидкостное сечение:
  • Манометрический, или избыточный, вид давления – это величина разности между атмосферным д-нием и гидростатическим д-нием абсолютного типа. Оно характеризует уровень избытка в сравнении с атмосферным:
  • Степень разности между давлением атмосферного и абсолютного типа называют вакуумметрическим д-нием. Ее роль заключается в указании нехватки давления до уровня атмосферного.

Способы вычисления давления в жидкостях

Гидростатическое давление присутствует в любой жидкости и обуславливается весом самого вещества p = G/S = mg/S. Известно, что m = pV, тогда p = pgV/S, и с учетом того факта, что V = Sh, мы получаем следующую формулу:

Показатель жидкостной плотности p напрямую зависит от уровня температуры. Для вычисления, требующих невероятной точности, используют специальную формулу. Гидростатическим давлением также называют сумму силы давления, определяющегося величиной веса жидкостного столба и поршневым давлением.

Единицы измерения

Гидростатическое давление, как и другие величины, имеет определенную единицу измерения. На практике его измеряют в кг/см 2 . Если давление очень большое, то его могут выражать при помощи атмосфер, где 1 атмосфера равна давлению в 76 см рт. ст. при нулевой температуре, в условиях широты, где УСТ = 0.0634 кг на 1 см 2 равна 6.21·10 6 дин на поверхность 1 см 2 . Таким образом, получаем 1 атмосферу, равную 1,0333 кг/см 2 , то есть 1,0135·106 дин на 1 см 2 для широтного показателя Парижа. А также гидростатическое давление можно измерять при помощи его парадокса.

Парадокс гидростатического характера и связь с законом Паскаля

Гидростатическое давление и его свойства могут изменяться, что связано с попытками произведения вычислений силы д-ния в определенных обстоятельствах. Сложнее производить вычисления, если необходимо узнать силу давления, оказываемую на негоризонтальные стены сосуда. Причиной давления здесь выступает вес жидкостного столба с бесконечно малой частицей в основании, которая рассматривается на поверхности. Высота выступает вертикальным расстоянием всех таких частиц от свободной жидкостной поверхности. Эти расстояния не будут постоянными для боковых стен. Здесь необходимо использовать, при суммировании боковых стенок, правила интегральных исчислений, давления упирающегося на любые элементы, находящиеся в горизонтальном положении. С учетом всего вышесказанного получаем правило, при котором давление тяжелых жидкостей на любую плоскую стену соответствует весу жидкостного столба, имеющего в качестве основания площадь данной стены, а высота является вертикальным расстоянием ее центра тяжести, удаленного от жидкостной поверхности свободного типа. Из этого следует, что давление на дно сосуда зависит лишь от размера его поверхности, высоты жидкостного уровня, налитого в сам сосуд, и от показателя плотности, а вот форма сосуда не влияет на давление. Такое явление называют гидростатическим парадоксом.

Читайте также:  Методы измерения относительного давления

Этот парадокс был доказан Паскалем в опытах с сосудами, расширяющимися кверху и книзу. В первом сосуде избыточный вес жидкостей поддерживали боковые стены, и передавался он при помощи стен, не действуя при этом на дно. А во втором сосуде давление действовало на боковые стены по направлению от низа к верху, и, как результат, облегчало вес на величину, равную недостатку жидкости.

Подводим итоги

В целом гидростатическое давление является важной характеристикой жидкостей, используемой человеком во множестве расчетов и при работе с различными приборами, например насосами. Эта величина имеет некоторые особенности, раскрывающиеся в парадоксе гидростатического давления. Она представлена в трех видах и имеет свою единицу измерения.

Источник

Единицы измерения гидростатического давления

В международной системе единиц (СИ) за единицу давления принят 1 Паскаль ( ) – равномерно распределённое давление, при котором на 1 площадки приходится сила, равная 1 Н.

Размер единицы давления очень мал, его значение соответствует давлению столба воды высотой . Поэтому на практике применяют единицы давления, кратные , которые образуются добавлением к наименованию Паскаль приставок, общепринятых в СИ:килопаскаль ( ),мегапаскаль ( ) и гигапаскаль ( ).

Численно указанные единицы давления составляют ; ; . Наиболее применяемая в технике укрупнённая единица

Давление, равное , называется технической атмосферой (ат)

5. Свойства гидростатического давления. Гидростатическое давление обладает следующими двумя свойствами:

1. оно всегда направлено по внутренней нормали к площадке действия;

2. его величина не зависит от ориентации площадки действия, а зависит от координат рассматриваемой точки.

Первое свойство гидростатического давления следует из закона Ньютона. Так как жидкость находится в состоянии покоя, то касательные напряжения равны нулю; а напряжения, возникающие в жидкости, могут быть только нормальными. Из-за легкоподвижности жидкость в обычных условиях может находиться в состоянии покоя только под действием сжимающих усилий; поэтому гидростатическое давление может быть направлено лишь по внутренней нормали к площадке действия.

Второе свойство гидростатического давления докажем, рассматривая равновесие элементарной трёхгранной призмы, мысленно вырезанной в покоящейся жидкости (рис.2).

Проведём оси координат так, как показано на рисунке 2. Пусть ребро АВ, равное , параллельно оси , реброАЕ, равное , параллельно оси , а реброAD параллельно оси .

Гидростатическое давление в пределах грани АВСD примем равным ; в пределах граниADFE – равным ; в пределах граниBCFE – равным .

Рис 2. К вопросу второго свойства гидростатического давления.

Согласно первому свойству гидростатического давления, векторы давлений , , направлены нормально к соответствующим граням.

Спроецируем все силы, действующие на элементарную трёхгранную призму, на оси координат.Проецируя все силы на ось , получим (8)

Из рис. 2 видно, что , поэтому или (9)

Спроецируем теперь все силы, действующие на элементарную трёхгранную призму, на ось : где — сила тяжести объема трехгранной призмы (0,5 объема прямоугольного параллелепипеда), Н.

Замечая, что и сокращая на и , получим (11)

Величина в пределе стремится к нулю, поэтому (12)

Так как наклон грани BCFE выбран произвольно, то отсюда следует, что величина гидростатического давления зависит не от ориентации площадки действия, а от координат рассматриваемой точки.

Дата добавления: 2019-07-15 ; просмотров: 536 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник