3.2.1. Гидростатика. Давление в жидкости

[latexpage]Гидростатика – раздел гидравлики, изучающий законы, которым подчиняются жидкость, находящаяся в состоянии покоя, силы, действующие в такой жидкости, и давление покоящейся жидкости на различные поверхности. То есть гидростатика — это учение о законах равновесия жидкостей; оно рассматривает условия, при которых тело плавает или тонет в воде или других жидкостях.

Основное свойство жидкостей заключается в том, что они способны легко изменять свою форму, поэтому они принимают форму сосуда, в который налиты. Кроме того жидкости практически несжимаемы. При этом в жидкость и в газ, можно погружать твердые тела, на которые будут действовать силы, распределенные по всей поверхности тела, т.е.  жидкость будет оказывать давление. Вообще давление определяется как отношение модуля силы F, действующей перпендикулярно поверхности, к площади S этой поверхности:

$p=\frac{F}{S}$.

В случае же если сила направлена под некоторым углом к перпендикуляру к площадке, то формула давления имеет вид:

$p=\frac{F cos \alpha}{S}$.

В отличии от твердых тел жидкости, в следствии своей текучести оказывают давление по всем направлением и передают оказываемое на них давление иначе, чем твердые тела. Закон Паскаля: давление, оказываемое на жидкость (или, к слову, газ), передается в любую точку этой жидкости без изменений и во всех направлениях.

Главная особенность жидкости заключается в том, что ее давление (так называемое гидростатическое давление) на дно или боковые стенки сосуда зависит от высоты столба жидкости над той точкой в которой измеряется давление и плотности самой жидкости

$p=\rho gh $.

Обратите особое внимание на то, что давление гидростатическое давление не зависит от формы сосуда, а зависит только от рода жидкости (т.е. её плотности) и от высоты столба этой жидкости, это явление носит название гидростатический парадокс. Если в задаче по гидростатике необходимо рассчитать давление столба жидкости на боковую грань в некоторой точке, то его вычисляют по предыдущей формуле, где h – расстояние от этой точки до поверхности жидкости. Но бывают случаи когда в задаче необходимо рассчитать среднее давление на боковую поверхность сосуда. В этом случае:

$p=\frac{p_1+p_2}{2}=\frac{\rho \cdot g \cdot 0+\rho \cdot g\cdot h}{2}=\frac{\rho gh}{2}$

Если на жидкость оказывает давление $p_0$ поршнь или атмосфера, то полное давление в жидкости на глубине h можно записать в виде:

$p=p_0+\rho gh$.

То есть, если мы погружаемся в жидкость, то давление на некоторой глубине есть сумма двух давлений – давления атмосферы и давления столба жидкости (которое определяется высотой столба).

Сообщающимися называют сосуды, которые соединены друг с другом и заполнены жидкостью. Если в сообщающиеся сосуды любой формы помещена однородная жидкость, то она всегда устанавливается на одном уровне (при равенстве внешних давлений на поверхность жидкости в обоих сосудах). 

Иначе ведут себя разнородные жидкости даже в одинаковых по форме и размерам сообщающихся сосудах. Дело в том, что в сообщающихся сосудах должно устанавливаться одинаковое давление на одной и той же высоте во всех частях сосуда. Но если жидкости различные, то и высота столбов этих жидкостей должна быть различной, чтобы создать одинаковое давление. Поэтому, разнородные жидкости в сообщающихся сосудах могут и не устанавливаться на одном уровне.

Алгоритм решения задач по гидростатике на сообщающиеся сосуды:

  1. Сделать рисунок.
  2. Выбрать горизонтальный уровень, ниже которого во всех сосудах находится одинаковая жидкость. Если такого уровня нет, то, естественно, за нулевой уровень выбираем дно сосудов.
  3. Записать давления относительно этого уровня во всех сосудах и приравнять.
  4. При необходимости использовать свойство несжимаемости жидкости (объем жидкости, вытекающей из одного сосуда, равен объему жидкости, втекающей в другой сосуд).
  5. Решить математически полученную систему уравнений.

Если в два вертикально расположенных цилиндра сообщающихся сосудов поместить жидкость и  закрыть их поршнями, которые могут скользить по стенкам без трения, то с помощью внешних сил, приложенных к поршням, в жидкости можно создать большое давление, во много раз превышающее гидростатическое давление. Согласно закону Паскаля это давление будет передаваться во все точки, в том числе и на второй поршень. Отсюда вытекают соотношения:

$p_1=p_2 \Rightarrow \frac{F_1}{S_1}=\frac{F_2}{S_2}$ или $\frac{F_1}{F_2}=\frac{S_1}{S_2}$.

Устройства в которых выполняются эти условия называют гидравлическими прессами (машинами, домкратами). Они позволяют получить значительный выигрыш в силе. Если поршень в узком цилиндре переместить вниз под действием внешней силы F1 на расстояние h1, то поршень в широком цилиндре переместится на расстояние h2, которое может быть найдено из условия несжимаемости жидкости и, соответственно, равенства объемов жидкости перетекающей из одного сосуда в другой:

$S_1 h_1 = S_2 h_2$ или $F_1 h_1 = F_2 h_2$.

Заметим также, что написанные выше уравнения справедливы только для идеальной гидравлической машины, т.е. машины в которой нет трения. Если же в системе есть трение, то будет справедлива лишь формула $S_1 h_1 = S_2 h_2$. Работу неидеального гидравлического пресса можно охарактеризовать КПД (коэффициентом полезного действия). Он рассчитывается по формуле:

$\eta =\frac{F_2 h_2}{F_1 h_1}$.

Задачи для самостоятельного решения.

1. В сообщающиеся сосуды с ртутью долили: в один сосуд столб масла высотой 30 см, в другой сосуд столб воды высотой 20,2 см. Определите разность уровней (в мм) ртути в сосудах. Плотность ртути 13600 кг/м3, масла 900 кг/м3.

2. В цилиндрический сосуд с площадью дна, равной 0,01 м2, налита жидкость. На сколько изменится давление жидкости на дно сосуда, если на поверхности будет плавать тело массой 300 г?

3. Диаметр одного из сообщающихся сосудов, в который налита ртуть, в три раза больше диаметра другого. В узкий сосуд налили столб масла высотой 50 см. Определите, на сколько изменятся уровни ртути в обоих сосудах.

4. В одинаковые сообщающиеся сосуды налита ртуть. Затем в один сосуд налили слой воды высотой 32 см, а во второй и оставшуюся часть первого сосуда — керосин так, что уровни керосина в обоих сосудах стали одинаковыми. Определите разность уровней ртути в обоих сосудах, если плотность керосина равна 800 кг/м3.