Тема 1.1.2 Основні фізико-механічні властивості рідин

Самостійна робота 1 (4год.)

Тема 1.1.2 Основні фізико-механічні властивості рідин

Мета: охарактеризувати фізико-механічні властивості рідин та основні етапи розвитку, зміст, структуру і мету дисципліни «Основи гідравліки та спеціальне водопостачання». Привернути увагу курсантів (учнів) до пізнавальної діяльності дисципліни «Основи гідравліки та спеціальне водопостачання», фізико-механічним властивостям рідин, її структури, змісту, мети і зв'язку з іншими дисциплінами.

План вивчення:

1. Предмет і завдання курсу «Основи гідравліки».

2. Історичний розвиток гідравліки.

3. Основні фізико-механічні властивості рідин.

Методичні вказівки:

Розглядаючи перше питання потрібно звернути увагу на основні завдання дисципліни, сучасні системи водопостачання. Обов’язково потрібно знати призначення приладів водопостачання та застосування їх в різних галузях промисловості, опанувати їх принцип роботи.

В другому питанні розглядається що таке гідравліка та історія її становлення, розвитку. Щоб зрозуміти суть даного явища потрібно згадати закон Архімеда, який пояснює дію виштовхувальної сили води.

Вивчаючи третє питання потрібно перш за все ознайомитись з видами рідин: ідеальною та реальною.

Обов’язково потрібно вивчити класифікацію рідин та основні властивості рідин.

Питання 1. Предмет і завдання курсу «Основи гідравліки».

Одним із основних факторів боротьби з вогнем, являється водопостачання.

Знання основних законів гідравліки та положень водопостачання дозволяє фахівцям з пожежної безпеки ефективно вирішувати задачі профілактики та правильно підбирати способи гасіння пожеж.

Сучасні системи водопостачання являють собою складні інженерні споруди і пристрої, які забезпечують надійну подачу води споживачам. Із розвитком водопостачання населених пунктів і промислових підприємств покращується і їх протипожежний захист, так як при проектуванні, будівництві і реконструкції водопроводів враховується забезпечення не тільки господарсько-питних, виробничих, а і протипожежних потреб.

Метою вивчення навчальної дисципліни «Основи гідравліки та протипожежне водопостачання» є набуття Вами знань про основні закони рівноваги і руху рідин, основних положень щодо зовнішнього та внутрішнього водопостачання. Це сприятиме використовувати дані знання під час вивчення умов транспортування води по трубах і пожежних рукавах, створенні далекобійних компактних і розпилених водяних струменів, експлуатації пожежних насосів, водойм, складанні схем водопостачання та перевірки їх працездатності.

Навчальна дисципліна складається з двох розділів: гідравліка та протипожежне водопостачання, і тісно пов’язана з такими дисциплінами як “Пожежна профілактика” і “Пожежно-технічне обладнання”.

По закінченні вивчення дисципліни «Основи гідравліки та протипожежне водопостачання» Ви повинні знати: властивості рідин; основні величини, які характеризують рух рідини; порядок проведення гідравлічного розрахунку трубопроводів та довжини компактного струменя; порядок проведення розрахунків напору та витрат рідин з насадків; класифікацію та основні робочі параметри насосів; будову, принцип роботи та порядок розрахунків насосно-рукавних систем; класифікацію систем водопостачання; схеми водопостачання промислових підприємств і населених пунктів; норми водоспоживання на господарсько-питні потреби промислових підприємств і населених пунктів; витрати води на зовнішнє пожежогасіння для населених пунктів і промислових підприємств; норми витрат води на внутрішнє пожежогасіння; строки відновлення недоторканого протипожежного запасу води; порядок і методику пожежно-технічного обстеження окремих елементів зовнішнього і внутрішнього водопроводів.

Уміти: проводити гідравлічний розрахунок трубопроводів; визначати витрати рідини через отвори та пожежні стволи; розраховувати втрати напору в трубопроводах та пожежних рукавах; розрахувати витрати води на зовнішнє пожежогасіння для населених пунктів і промислових підприємств; розрахувати витрати води на внутрішнє пожежогасіння будівель різного призначення; провести пожежно-технічне обстеження окремих елементів зовнішнього і внутрішнього водопроводів.

Питання 2. Історичний огляд розвитку гідравліки.

Гідравлікою - називається прикладна наука, яка вивчає закони рівноваги і руху рідин та розробляє на підставі теорії і дослідів методики застосування цих законів до розв'язання задач інженерної практики в різних галузях промисловості. Назва «гідравліка» походить від сполучення грецьких слів хюдор — вода і аулос — труба, жолоб. Коли виникла ця назва, головним було вивчення законів руху рідини в трубах. Таке розуміння гідравліки зараз має тільки історичний зміст, тому що з розвитком виробництва і техніки розширилися межі вивчення і застосування законів гідравліки.

Зміст сучасної гідравліки значно ширший — зараз важко знайти галузі техніки, де не використовуються закони гідравліки. Головні області застосування гідравліки — це гідротехніка і меліорація, водопостачання і каналізація, гідроенергетика, водний транспорт, автомобільні і залізничні шляхи, машинобудування, авіація, суднобудування, теплотехніка, гідропневмо-автоматика, атомна енергетика та інше. Значна роль цієї науки в хімічній технології, харчовій і легкій промисловості, автомобілебудування, гідрології і метеорології, фізіології, сільському господарстві та інше. Безумовно, для кожної із цих галузей перевага віддається своєму колу гідравлічних задач і відповідно методикам їх розв'язку. Але всі вони ґрунтуються на загальних законах рівноваги і руху рідин і газів.

Основоположником гідравліки вважається сіракузький математик Архімед (287-212 рр. до н.е.), працями якого закладені основи вчення про рівновагу рідин. В епоху середньовіччя розвиток усіх наук, у тому числі гідравліки, припинився і тільки у XVI ст. з'являються деякі теоретичні та дослідні роботи з гідравліки, в яких розглядаються окремі, не пов'язані одне з одним, питання. Тут можна відзначити роботи Леонардо да Вінчі (1452-1519) по визначенню руху води, роботи Г.Галілея (1564-1642), в яких вперше системно подані основи гідростатики, учня Г.Галілея Е.Торрічеллі (1608-1647) по вивченню витікання рідини через отвори, робота французького вченого Б. Паскаля (1623-1662) про розподіл тиску і, врешті, роботи І.Ньютона (1642-1727) про тертя в рухомій рідині та теорії гідродинамічної подібності.

Для гідравліки має принципове значення відкритий М.В.Ломоносовим фундаментальний закон природи — закон збереження речовини та енергії. Одне з найбільш важливих для гідравліки є рівняння нерозривності руху, це не що інше, як закон Ломоносова для механічного руху рідин і газів. У 1738 р. у роботі «Гідродинаміка, або нотатки про сили і рух рідин» Д.Бернуллі сформулював закон руху рідин, в якому у математичному вигляді дав зв'язок між тиском у рідині і швидкістю руху її частинок.

Наступний період розвитку гідравліки охоплює другу половину XVIII ст. та більшу половину XIX ст. У цей період, з одного боку, накопичується значний дослідний матеріал і швидко розвивається прикладна гідромеханіка, в чому значну роль відіграють роботи А.Дарсі, А.Дюпої, Ж.Пуазейля, Г.Гагена, А.Базена, Ф.Беланже та ін. Однак розрив між теорією і практикою в цей період гальмував розвиток гідравліки.

Наступний етап розвитку гідравліки охоплює кінець XIX та початок XX ст. і характеризується глибокими теоретичними розробками і чисельними дослідженнями. Розвиток гідравліки в цей час пов'язаний з іменами М.П.Петрова та М.Є.Жуковського.

Особливо бурхливий розвиток гідромеханіки розпочинається у зв'язку з розвитком промисловості. Перед вченими постали ряд проблем з гідравліки, за розробку яких взялися не окремі дослідники, а великі колективи на чолі з видатними вченими, зокрема акад. М.М.Павловським розроблені основи теорії руху ґрунтових вод під гідротехнічними спорудами. О.М.Крилов очолив напрямок наук про плавучість і остійність корабля. Л.С.Лей-бензон, І.А.Чарний, ПЯ.Полубаринова-Кочіна виконали роботи з теорії руху рідин і газів у пористому середовищі. Винятково важливими є дослідження С.О.Чаплигіна з аеро- і газодинаміки, М.Л.Веліканова, А.М.Колмогорова, Л.ГЛойцянського — по вивченню турбулентних течій, С.О.Христіановича — в галузі нестаціонарного руху, акад. ГФ.Проскури — у галузі пропелерних водяних турбін і насосів.

Досягнення гідравліки у вирішенні багатьох задач інженерної практики, створення нових гідравлічних методів розрахунку, з одного боку, і розвиток теоретичної гідромеханіки у зв'язку з застосуванням ЕОМ і нових методів розрахунку, з другого — призвели до зближення цих наук. Можна вважати, що сучасна гідравліка є технічною механікою рідин, яка ґрунтується на теоретичній гідромеханіці і великій базі дослідного матеріалу.

Питання 3. Основні фізико-механічні властивості рідин.

Рідиною називають фізичне тіло, якому властива плинність, яка характеризується незначними силами взаємодії між частинками, внаслідок чого рідина не має власної форми і приймає форму посудини, в якій знаходиться.

Рідини поділяються на два види: краплинні [газоподібні.

Краплинні — характеризуються великим опором стиску (майже повною нестисливістю) і малим опором дотичних і розтягуючих зусиль, зумовлених незначною дією сил зчеплення і сил тертя між частинками рідини. У посудині вони утворюють вільну поверхню.

Газоподібні — на відміну від краплинних майже не мають опору стиску, не утворюють граничну вільну поверхню, а заповнюють весь вільний об'єм.

Гідромеханіка вивчає краплинні рідини. При вирішенні практичних завдань гідромеханіки часто користуються поняттям ідеальної рідини, що характеризується абсолютною нестисливістю та відсутністю в'язкості.

Гідравліка розглядає крапельні рідини як реальні, так і ідеальні (неіснуючі).

Ідеальна — це така рідина, між частинками якої відсутні сили зчеплення, внаслідок цього вона не чинить опір силам зсуву і розтягування. Ця рідина не стисла, тобто чинить безмежний опір силам стиснення. Такої рідини у природі не існує. Ця наукова абстракція необхідна для розгляду загальних законів механіки рідини у «чистому» вигляді.

Реальна — це така рідина, що не має ідеальних властивостей, тобто вона до певної міри чинить опір дотичним і розтягувальним зусиллям, а також частково стискається під дією зовнішніх сил. Закони для ідеальної рідини застосовують і до реальної з відповідними поправками або без них.

Якщо крапельна нестислива рідина знаходиться у певному каналі, руслі чи в посудині, і займає частину їх об'єму, то утворюється границя між рідиною і навколишнім середовищем, що називається вільною поверхнею рідини.

Стисливі рідини не мають вільної поверхні.

Крапельні рідини мають власний об'єм. Так, наприклад, 1 м³ води займає певний об'єм у посудині довільної форми, а стислива рідина не має власного об'єму і займає весь простір замкненої посудини, в якій вона знаходиться.

У подальшому викладі будемо розглядати властивості однорідних рідин, які в дану мить у всіх точках мають однакові фізико-механічні властивості. Розглянемо властивості рідин, на яких ґрунтуються положення гідравліки.

Щільність рідини р — це маса одиниці її об'єму, розраховують її як відношення маси рідини до об'єму:

(1)

де m – маса рідини об’ємом W

Щільність рідини вимірюється ареометром і її значення в залежності від температури приводяться в довідковій літературі. Вода має максимальну густину (1000 кг/м³) при 4 °С. Цим вона відрізняється від інших рідин, у яких, як правило, густина при охолодженні збільшується.

На практиці про масу рідини судять по її вазі. Виходячи з цього питома вага — це вага одиниці об'єму рідини, таким чином:

(2)

де G — вага в Н, W— об'єм рідини в м³.

Між питомою вагою і густиною існує зв'язок, який можна виразити, виходячи з залежності між вагою тіла G, його масою m і прискоренням вільного падіння g, що визначається формулою: G = mg.

Підставивши значення ваги рідини G у формулу питомої ваги, отримаємо залежність:

(3)

Таблиця 1. Густина і питома вага рідин

Рідина	Густина р, кг/м^3	Питома вага у, Н/м^3
Вода
Бензин	740-750	7250-7360
Гас	790-840	7750-8240
Нафта	850-950	8340-9320
Мазут	890-940	8730-9220
Ртуть
Повітря	1,2	11,8

Стисливість — це властивість рідини змінювати свій об'єм при зміні тиску.

Вона характеризується коефіцієнтом об'ємного стиску β_р, що виражає відносне зменшення об'єму рідини при збільшенні тиску р на одиницю виміру:

(4)

де об 'єм W і тиск р позначені індексами 1 при початкових умовах, індексами 2 — при збільшенні тиску на величину Δр.

Коефіцієнт об'ємного стиску води при збільшенні тиску з 0,1 до 50 МПа практично не змінюється. При вирішенні багатьох практичних задач стисливістю краплинних рідин звичайно нехтують. Але її потрібно враховувати при великих об'ємах рідин, при значному збільшенні тиску, у випадку гідравлічного удару.

Величина, обернена до коефіцієнта β_р, називається модулем об'ємної пружності.

(5)

Температурне розширення рідини при зміні температури характеризується коефіцієнтом температурного розширення β_t, що визначає відносну зміну об'єму рідини при зміні її температури на 1°С чи 1К.

(6)

Коефіцієнт температурного розширення виражається в градусах Цельсія чи Кельвіна в мінус першому ступені. Для краплинних рідин він істотно малий. Тому в практичних розрахунках температурне розширення таких рідин не враховується.

В'язкістю називається властивість рідини чинити опір відносному руху (зсуву) її частинок. В'язкість має місце тільки при русі реальної рідини.

Для поняття в'язкості розглянемо випадок руху рідини и паралельними шарами (рис. 1).

Нехай швидкість руху будь якого шару А дорівнює ν, а швидкість сусіднього шару В більша на величину Δν. Величина Δν означає абсолютний зсув шару В стосовно шару А за одиницю часу. При ковзанні цих шарів рідини один відносно одного між ними виникає сила тертя, що перешкоджає руху. Дотичне напруження між: шарами τ — це відношення сили тертя до одиниці площі тертя.

Відношення Δν до відстані між центрами шарів Δу називається відносним зсувом. І.Ньютон встановив, що сила тертя τ, котра припадає на одиницю площі, прямо пропорційна підносному зсуву:

(7)

де μ – коефіцієнт внутрішнього тертя, який має назву динамічної в’язкості, Па с.

У гідромеханіці поряд з динамічною в'язкістю під час розрахунків використовується так звана кінематична в'язкість, що представляє собою відношення динамічної в'язкості до густини рідини:

(8)

Кінематична в'язкість залежить від виду рідини та її температури.

Таблиця 2. Кінематична в’язкість води

t,^0С	0	5	10	15	20	30	40	50	60
ν·10^6м^2/с	1,78	1,52	1,31	1,14	1,01	0,81	0,66	0,55	0,48

Кінематичну в'язкість води можна визначити також за формулою Пуазейля

(9)

де t – температура, ⁰С.

Таблиця 3. Кінематична в'язкість рідин

Рідина	VI О", М/С
Бензин авіаційний	0,4...0,5
Бензин автомобільний	0.55...0.75
Спирт етиловий	1,5
Гас	2,5
Дизельне паливо	2...6
Нафта	25...140
Гліцерин
Повітря	15,7

Кінематична в'язкість краплинних рідин зменшується зі збільшенням температури, а в'язкість газів, навпаки, зростає. Пояснюється це відмінностями самої природи в'язкості рідин і газів. У рідинах молекули розташовані набагато ближче одна до одної, ніж у газах, і в'язкість зумовлюється силами молекулярної взаємодії. Ці сили зі збільшенням температури зменшуються, тому в'язкість знижується. У газах в'язкість обумовлена в основному хаотичним тепловим рухом молекул, інтенсивність якого збільшується зі зростанням температури, що і приводить до збільшення в'язкості.

Контрольні питання.

1. Що називається рідиною?

2. На які види поділяються рідини?

3. Як характеризуються крапельні рідини?

4. Як характеризуються газоподібні рідини?

5. Що називається щільністю рідини?

6. Що називається пружністю рідини?

Література:

1. Качалов А.А., Воротынцев Ю.П., Власов А.В.. Противопожарное водоснабжение. Учебник для пожарно-технических училищ. – М.: Стройиздат, 1985, § 1-2.

2. Лаврівський З.В., Мандрус В.І. Технічна механіка рідин та газів. - Львів, 2004, § 1-2, §1.1.

Старший викладач циклу

організації служби та цивільного захисту

підполковник служби

цивільного захисту В. В. Придатко

Дата добавления: 2015-08-28