Давление жидкости. Поверхностные явления. Что такое давление. Плавание тела. Закон Архимеда

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ. Важнейший признак жидкости - существование свободной поверхности . Молекулы поверхностного слоя жидкости, имеющего толщину порядка 10 -9 м, находятся в ином состоянии, чем молекулы в толще жидкости. Поверхностный слой оказывает на жидкость давление, называемое молекулярным , что приводит к появлению сил, которые называются силами поверхностного натяжения .

Силы поверхностного натяжения в любой точке поверхности направлены по касательной к ней и по нормали к любому элементу линии, мысленно проведенной на поверхности жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения -физическая величина, показывающая силу поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, разделяющей поверхность жидкости на части:

С другой стороны, поверхностное натяжение можно определить как величину, численно равную свободной энергии единицы поверхностного слоя жидкости. Под свободной энергией понимают ту часть энергии системы, за счет которой может быть совершена работа при изотермическом процессе.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы жидкости. Для каждой жидкости он является функцией температуры и зависит от того, какая среда находится над свободной поверхностью жидкости.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА. Экспериментальная установка изображена на рис. 1. Она состоит из аспиратора А, соединенного с микроманометром М и сосудом В, в котором находится исследуемая жидкость. В аспиратор наливается вода. С помощью крана К аспиратор А может отсоединяться от сосуда В и присоединяться к такому же сосуду С с другой исследуемой жидкостью. Сосуды В и С плотно закрываются резиновыми пробками, имеющими по отверстию. В каждое отверстие вставляется стеклянная трубочка, конец которой представляет собой капилляр. Капилляр погружается на очень малую глубину в жидкость (так, чтобы он только касался поверхности жидкости). Микроманометр измеряет разность давления воздуха в атмосфере и аспираторе, или, что то же самое, в капилляре и сосуде В или С.

Микроманометр состоит из двух сообщающихся сосудов, один из которых представляет собой чашку большого диаметра, а другой наклонную стеклянную трубку малого диаметра (2 - 3 мм) (рис. 2). При достаточно большом отношении площадей сечений чашки и трубки можно пренебречь изменением уровня в чашке. Тогда по уровню жидкости в трубке малого диаметра можно определить измеряемую величину разности давлений:

где - плотность манометрической жидкости; - расстояние принимаемого неизменным уровня жидкости в чашке до уровня в трубке по наклону трубки; - угол, образованный наклонной трубкой с плоскостью горизонта.

В начальный момент времени, когда давление воздуха над поверхностью жидкости в капилляре и сосуде В одинаково и равно атмосферному. Уровень смачивающей жидкости в капилляре выше, чем в сосуде В, а уровень несмачивающей – ниже, так как смачивающая жидкость в капилляре образует вогнутый мениск, а несмачивающая - выпуклый.

Молекулярное давление под выпуклой поверхностью жидкости больше, а под вогнутым - меньше относительно давления под плоской поверхностью. Молекулярное давление, обусловленное кривизной поверхности, принято называть избыточным капиллярным давлением (давление Лапласа) . Избыточное давление под выпуклой поверхностью считается положительным, под вогнутой - отрицательным. Оно всегда направлено к центру кривизны сечения поверхности, т.е. в сторону ее вогнутости. В случае сферической поверхности избыточное давление можно вычислить по формуле:

где - коэффициент поверхностного натяжения, - радиус сферической поверхности.

Смачивающая капилляр жидкость поднимается до тех пор, пока гидростатическое давление столбика жидкости высотой (рис. 3а) не уравновесит избыточного давления, направленного в этом случае вверх. Высота 0 определяется из условия равновесия:

где - ускорение свободного падения, т.е.

Если, повернув кран аспиратора А, медленно выпускать из него воду, то давление воздуха в аспираторе, в соединенных с ним сосуде В и наклонном колене микроманометра начнет уменьшаться. В капилляре же над поверхностью жидкости давление равно атмосферному. В результате увеличивающейся разности давлений мениск жидкости в капилляре будет опускаться, сохраняя кривизну, пока не опустится до нижнего конца капилляра (рис. 3б). В этот момент давление воздуха в капилляре будет равно:

где - давление воздуха в сосуде В, - глубина погружения капилляра в жидкость, - давление Лапласа. Разность давлений воздуха в капилляре и сосуде В равна:

+ р = р изб + ρ g h = 2σ / r + ρ g h

С этого момента начинает меняться кривизна мениска. Давление воздуха в аспираторе и сосуде В продолжает уменьшаться. Так как разность давлений увеличивается, радиус кривизны мениска убывает, а кривизна возрастает. Наступает момент, когда радиус кривизны становится равным внутреннему радиусу капилляра (рис. 3в), а разность давлений становится максимальной. Затем радиус кривизны мениска снова увеличивается, и равновесие будет неустойчивым. Обязуется пузырек воздуха, который отрывается от капилляра и поднимается на поверхность. Жидкость затягивает отверстие. Далее все повторяется. На рис. 4 показано, как меняется радиус кривизны мениска жидкости, начиная с момента, когда он дошел до нижнего конца капилляра.

Из сказанного выше следует, что:

, (1)

где - внутренний радиус капилляра. Эту разность можно определить с помощью микроманометра, так как

где - плотность манометрической жидкости, - максимальное смещение уровня жидкости в наклонной трубке микроманометра, - угол между наклонным коленом микроманометра и горизонталью (см. рис. 2).

Из формул (1) и (2) получим:

. (3)

Так как глубина погружения капилляра в жидкость ничтожна , то ею можно пренебречь, тогда:

или , (4)

где - внутренний диаметр капилляра.

В том случае, когда жидкость не смачивает стенки капилляра, за в формуле (4) принимают внешний диаметр капилляра. В качестве манометрической жидкости в микроманометре используется вода ( = 1×10 3 кг/м 3).

ИЗМЕРЕНИЯ.

1. Налить в аспиратор воду до метки и закрыть его. Добиться равенства давлений в обоих коленах микроманометра, для чего на короткое время извлечь кран К. Установить его в такое положение, в котором он соединяет сосуд с аспиратором.

2. Открыть кран аспиратора настолько, чтобы изменение давления происходило достаточно медленно. Пузырьки воздуха должны отрываться примерно через каждые 10 - 15 с. После установления указанной частоты образования пузырьков можно проводить измерения.

ЗАДАНИЕ. 1. С помощью термометра определить и записать комнатную температуру t .

2. Девять раз определить максимальное смещение уровня жидкости в наклонном колене микроманометра. Для расчета коэффициента поверхностного натяжения взять среднее значение Н ср .

3. Аналогично определить коэффициент поверхностное натяжение этилового спирта.

4. Найти предельные абсолютную и относительную погрешности при определении поверхностного натяжения каждой жидкости. Записать для каждой жидкости окончательные результаты измерений с учетом их точности по формуле.

Задача 1.1 . Определить объем воды, который необходимо дополнительно подать в водовод диаметром d= 500 мм и длиной L = 1 км для повышения давления до р =5 МПа. Водовод подготовлен к гидравлическим испытаниям и заполнен водой при атмосферном давлении. Деформацией трубопровода можно пренебречь.

Скачать решение задачи 1.1

Задача 1.2. В отопительной системе (котел, радиаторы и трубопроводы) небольшого дома содержится объем воды W=0,4 м 3 . Сколько воды дополнительно войдет в расширительный сосуд при нагревании с 20 до 90 °С?

Скачать решение задачи 1.2

Задача 1.3. Определить среднюю толщину б ОТЛ солевых отложений в герметичном водоводе внутренним диаметром d = 0,3 м и длиной L = 2 км (рис. 1.1). При выпуске воды в количестве W ж = 0,05 м 3 давление в водоводе падает на величину р = 1 МПа. Отложения по диаметру и длине водовода распределены равномерно.

Скачать решение задачи 1.3

Задача 1.4. Определить изменение плотности воды при ее сжатии от p 1 = 0,1 МПа до р 2 = 10 МПа.

Скачать решениее задачи 1.4

Задача 1.5. Для периодического аккумулирования дополнительного объема воды, получаемого при изменении температуры, к системе водяного отопления в верхней ее точке присоединяют расширительные резервуары, сообщающиеся с атмосферой. Определить наименьший объем расширительного резервуара при частичном заполнении водой. Допустимое колебание температуры воды во время перерывов в работе топки t = 95 - 70 = 25 °С. Объем воды в системе W= 0,55 м 3 .

Скачать решение задачи 1.5

Задача 1.6. В отопительный котел поступает объем воды W= 50 м3 при температуре 70 °С. Какой объем воды W 1 будет выходить из котла при нагреве воды до температуры 90 °С?

Скачать решение задачи 1.6

Задача 1.7. Определить изменение плотности воды при нагревании ее от t 1 = 7 °С до t 2 = 97 °С.

Скачать решение задачи 1.7

Задача 1.8. Вязкость нефти, определенная по вискозиметру Энглера, составляет 8,5 °Е. Вычислить динамическую вязкость нефти, если ее плотность р = 850 кг/м 3 .

Скачать решение задачи 1.8

Задача 1.9. Определить давление внутри капли воды диаметром (1= 0,001 м, которое создают силы поверхностного натяжения. Температура воды t = 20 °С.

Скачать решение задачи 1.9

Задача 1.10. Определить высоту подъема воды в стеклянном капилляре диаметром d = 0,001 м при температуре воды t 1 = 20 °С и t 2 = 80 °С.

Скачать решение задачи 1.10

Задача 1.11. Как изменится плотность бензина А76, если температура окружающей среды изменится с 20 до 70°С?

Скачать решение задачи 1.11

Задача 1.12. Как изменятся объемный вес и плотность воды друг относительно друга на экваторе и Северном полюсе?

Скачать решение задачи 1.12

Задача 1.13. Чему равны удельные объемы и относительные плотности морской воды, ртути и нефти?

Скачать решение задачи 1.13

Задача 1.14. Увеличивается или уменьшается коэффициент объемного сжатия воды с увеличением ее температуры с 0 до 30 °С?

Скачать решение задачи 1.14

Задача 1.15. Определить изменение давления в закрытом резервуаре с бензином с изменением температуры от 20 до 70 °С.

Скачать решение задачи 1.15

Задача 1.16. Определить изменение скорости распространения звука в жидкости при увеличении температуры с 10 до 30 °С.

Скачать решение задачи 1.16

Задача 1.17. На сколько процентов увеличится начальный объем воды, спирта и нефти при увеличении температуры на 10 °С?

Скачать решение задачи 1.17

Задача 1.18. Рассмотреть явление капиллярности в стеклянных пьезометрических трубках диаметрами d 1 = 5 мм, d 2 = 2 мм, d 3 = 10 мм для воды, спирта (рис. 1.2, а) и ртути (рис. 1.2, б).

Скачать решение задачи 1.18

Задача 1.19. Разность скоростей между двумя соседними слоями жидкости толщиной dn = 0,02 мм равна du = 0,0072 м/ч. Рассматриваемая жидкость имеет коэффициент динамической вязкости 13,04*10 -4 Н*с/м 2 . Определить тангенциальное напряжение и силу трения на 1 м 2 поверхности между слоями жидкости (рис. 1.3).

Скачать решение задачи 1.19

Задача 1.20. Определить силу трения и тангенциальное напряжение на площади а х b = 10 х 10 см2 при температуре воды t = 14 °С и разности скоростей между двумя соседними слоями толщиной dn = 0,25 мм, равной v = 0,0003 м/мин. Динамическая вязкость при данной температуре 17,92*10 -4 Н*с/м 2 .

Скачать решение задачи 1.20

Задача 1.21. Определить кинематический коэффициент вязкости воды, если сила трения T= 12*10 -4 Н на поверхность S=0,06 м 2 создает скорость деформации du/dn = 1.

Скачать решение задачи 1.21

Задача 1.22. Определить силу трения и тангенциальное напряжение на площади воды S = 0,2*10 -2 м 2 при температуре t = 8 °С, пред полагая, что скорость деформации равна единице.

Скачать решение задачи 1.22

Задача 1.23. Определить величину деформации сплошной среды для интервала dт = 0,1 с, если вода имеет температуру 9 °С и соответствующее тангенциальное напряжение τ = 28*10 -4 Н/м 2 (рис. 1.4).

Скачать решение задачи 1.23

Задачи по гидравлике Гидростатика

Задача 2.1. Два горизонтальных цилиндрических трубопровода А и В содержат соответственно минеральное масло плотностью 900 кг/м 3 и воду плотностью 1000 кг/м 3 . Высоты жидкостей, представленные на рис. 2.1, имеют следующие значения: hм = 0,2 м; hрт = 0,4 м; hв = 0,9 м. Зная, что гидростатическое давление на оси в трубопроводе А равно 0,6*10 5 Па, определить давление на оси трубопровода В.

Скачать решение задачи 2.1

Задача 2.2.

Скачать решение задачи 2.2

Задача 2.3. Избыточное давление воды в океане на глубине h = 300м равно 3,15 МПа. Требуется определить: плотность морской воды на этой глубине в общем виде; плотность морской воды на этой глубине в районах Северного полюса и экватора g пол = 9,831 кг/м 3 , g экв =9,781 кг/м 3).

Скачать решение задачи 2.3

Задача 2.4. Сосуд, имеющий форму конуса с диаметром основания D переходит в цилиндр диаметром d (рис. 2.3). В цилиндре перемещается поршень с нагрузкой G = 3000 Н. Размеры сосуда: D = 1 м; d = 0,5 м; h = 2 м; плотность жидкости р = 1000 кг/м 3 . Определить усилие, развиваемое на основание сосуда.

Скачать решение задачи 2.4

Задача 2.5. Вода плотностью р 2 = 1000 кг/м 3 и минеральное масло плотностью p 1 = 800 кг/м 3 , находящиеся в закрытом резервуаре, сжимают воздух избыточным давлением p 0 (рис. 2.4). Поверхность раздела минерального масла и воды находится на расстоянии h1 = 0,3 м от свободной поверхности. Показание U-образного ртутного манометра h" = 0,4 м. Разница высот свободных поверхностей жидкостей в резервуаре и ртутном манометре h = 0,4 м. Определить давление воздуха на свободной поверхности p 0 .

Скачать решение задачи 2.5

Задача 2.6. Изучить равновесие системы трех жидкостей, находящихся в U-образной трубке, представленной на рис. 2.5. Определить z 0 , z 1 , z 2 , z 3 , если z 0 -z 1 = 0,2 м; z1 + z2 = 1 м; z 3 - z 2 = 0,1 м; Р 0 = 1000 кг/м 3 ; Р 2 = 13 600 кг/м 3 ; Р 3 = 700 кг/м 3 .

Скачать решение задачи 2.6

Задача 2.7. Несмешивающиеся жидкости с плотностями р 1 , р 2 и р 3 находятся в сосуде (рис. 2.6). Определить избыточное давление на основание сосуда pизб, если ρ 1 = 1000 кг/м 3 ; ρ 2 = 850 кг/м 3 ; ρ 3 = 760 кг/м 3 ; h 1 = 1 м; h 2 = 3 м; h 3 = 6 м.

Скачать решение задачи 2.7

Задача 2.8. Разность давлений между двумя горизонтальными цилиндрическими сосудами, наполненными водой и газом (воздухом), измерена с помощью дифференциального манометра, наполненного спиртом (р2) и ртутью (р3). Зная давление воздуха над свободной поверхностью воды в одном из сосудов, определить давление газа р, если рвоз = 2,5*10 4 Н/м2; ρ 1 = 1000 кг/м 3 ; ρ 2 = 800 кг/м 3 ; ρ 3 = 13 600 Н/м3; h 1 = 200 мм; h 2 = 250 мм; h = 0,5 м; g= 10 м/с2 (рис. 2.7).

Скачать решение задачи 2.8

Задача 2.9. Двойная U-образная трубка заполнена двумя жидкостями таким образом, что свободная поверхность во внутреннем ответвлении трубки находится на одном уровне (рис. 2.8). Рассчитать плотность р 2 , если р 1 = 1000 кг/м3; h 1 = 0,8 м; h 2 = 0,65 см.

Скачать решение задачи 2.9

Задача 2.10. Рассчитать избыточное давление на свободной поверхности минерального масла и абсолютное давление в точке М, если h = 2 м; z = 3,5 м; р = 850 кг/м 3 ; Pатм = 10 5 Па; g = 10 м/с 2 (рис. 2.9).

Скачать решение задачи 2.10

Задача 2.11. Сосуд содержит две несмешивающиеся жидкости с плотностями р 1 и р 2 (рис. 2.10). Давление над свободной поверхностью измеряется манометром. Определить избыточное давление на основание сосуда, если p м = 10 2 Н/м 2 ; р 1 = 890 кг/м 3 ; р 2 = 1280 кг/м 3 ; h 1 = 2,1 м; h 2 = 2,9 м; g = 10 м/с 2 .

Скачать решение задачи 2.11

Задача 2.12. В сообщающихся сосудах находятся две несмешивающиеся жидкости с плотностями p 1 и p 2 . Определить позицию свободных поверхностей жидкостей Н 1 и Н 2 по отношению к плоскости сравнения О - О (рис. 2.11), если p 1 = 1000 кг/м 3 ; р 2 = 1200 кг/м 3 ; h= 11 см.

Скачать решение задачи 2.12

Задача 2.13. Определить объем воды и минерального масла в закрытом сосуде по данным пьезометра и индикатора уровня, если D = 0,4 м; а = 0,5 м; b = 1,6 м; рм = 840 кг/м 3 ; рв = 1000 кг/м 3 ; g=10 м/с 2 (рис. 2.12).

Скачать решение задачи 2.13

Задача 2.14. Показание манометра, расположенного на расстоянии h =1 м от днища резервуара, рм = 5 Н/см 2 . Определить высоту свободной поверхности бензина Н в резервуаре (рис. 2.13), если Р б = 850 кг/м 3 ; g = 10 м/с 2 .

Скачать решение задачи 2.14

Задача 2.15. Два закрытых сосуда содержат воду. Свободные поверхности расположены по отношению к плоскости сравнения О-О на высотах Н 1 = 1 м и Н 2 = 1,8 м (рис. 2.14). Показание манометра p 1 = 1,2*10 5 Н/м 2 , разница уровней ртути в дифференциальном манометре А-А = 200 мм. Определить давление на свободную поверхность второго резервуара р 2 .

Скачать решение задачи 2.15

Задача 2.16. Какую силу нужно приложить к поршню 2, чтобы уравновесить действие силы Рь действующей на поршень 1 диаметром и (рис. 2.15), если Р 1 = 147 Н; D = 300 мм; d = 50 мм; h = 300 мм; рв = 1000 кг/м 3 ; g= 10 м/с 2 ?

Скачать решение задачи 2.16

Задача 2.17. Какая сила должна быть приложена к поршням Аи В для уравновешивания системы поршней А, B, С (рис. 2.16), если h = 80 см; D = 40 см; d= 5 см; Р 1 = 72,64 Н; р = 1000 кг/м 3 ; g= 10 м/с 2 ?

Скачать решение задачи 2.17

Задача 2.18. Два плунжера А и В, находящиеся в горизонтальной плоскости, уравновешены (рис. 2.17). Определить показания манометра и силу F 2 , если сила F 1 = 600 Н, площади плунжеров соответственно S 1 = 60 см 2 , S 2 = 5 см 2 .

Скачать решение задачи 2.18

Задача 2.19. С помощью ртутного манометра измеряется гидростатическое давление в трубопроводе воды (рв = 1000 кг/м 3 ). Манометр изготовлен из пластичного материала (резиновый шланг) и может растягиваться, увеличиваясь в размерах, например, на величину а (рис. 2.18). Найти величину h - изменение показания Н ртутного манометра.

Скачать решение задачи 2.19

Задача 2.20. Герметично закрытый стальной резервуар (рис. 2.19) содержит воду (р в = 1000 кг/м 3 ). Вентилятором на свободной поверхности создается избыточное давление, показание ртутного манометра (р рт =13600 кг/м 3 ) z 2 = 500 мм. Определить абсолютное давление на свободной поверхности жидкости в резервуаре и пьезометрическую высоту

Скачать решение задачи 2.20

Задача 2.21. Во избежание разрыва сплошности потока под поршнем в цилиндре (рис. 2.20) во время всасывания воды (р в = 1000 кг/м 3 ) требуется рассчитать максимальную высоту всасывания h maxв с, если давление насыщенного пара р c =10 Н/м 2 .

Скачать решение задачи 2.21

Задача 2.22 . Вследствие опускания поршня весом О в закрытый резервуар под действием силы Р жидкость поднялась в пьезометре на высоту х (рис. 2.21). Определить величину х, если P = 300 Н; G = 200 Н; d = 0,1 м; h = 0,4 м; р = 1000 кг/м 3 ; g = 10 м/с 2 .

Скачать решение задачи 2.22

Задача 2.23. На зафиксированный на полу поршень опирается цилиндрический сосуд без днища, заполненный водой. Определить величины давления р{ и рг (рис. 2.22), если вес сосуда G = 1000 Н; р = 1000 кг/м 3 ; а = 0,8 м; D = 0,4 м; g= 10 м/с 2 .

Скачать решение задачи 2.23

Задача 2.24. Система трех поршней в сообщающихся сосудах (рис. 2.23) находится в равновесии под действием трех сил Р 1 , Р 2 , Р 3 (с учетом веса поршней): Площади поршней соответственно S 1 , S 2 , S 3 . Определить высоты h 1 и h 2 , если Р 1 = 1300 Н; Р 2 = 1000 Н; Р 3 = 800 Н; S 1 = 0,4 м 2 ; S 2 = 0,6 м 2 ; S 3 = 0,9 м 2 ; р = 1000 кг/м 3 ; g = 10 м/с 2 .

Скачать решение задачи 2.24

Задача 2.25 . В системе трех поршней (см. рис. 2.23) определить изменение сил Р 2 и Р 3 при заданных условиях (см. задачу 2.24).

Скачать решение задачи 2.25

Задача 2.26. Пьезометр и два жидкостных манометра присоединены к резервуару (рис. 2.24), наполненному бензином до отметки 2 м (р б = 700 кг/м 3 ). Определить показания манометра М и пьезометра Н для уровней воды, ртути, указанных на рисунке в метрах. Плотностью воздуха можно пренебречь.

Скачать решение задачи 2.26

Задача 2.27. Система двух поршней находится в равновесии (рис. 2.25). Определить разницу показаний пьезометров А, если D/d = 3; H= 2 м; p 1 = р 2 = соnst.

Скачать решение задачи 2.27

Задача 2.28. Определить давление пара в цилиндре поршневого парового насоса (рис. 2.26, золотниковая коробка, обеспечивающая возвратно-поступательное движение поршня в паровом цилиндре, не показана), необходимое для подачи воды на высоту Н = 58 м, если диаметры цилиндров d 1 = 0,3 м; d 2 = 0,18 м.

Скачать решение задачи 2.28

Задача 2.29. Грунтовые воды, формирующие систему с нефтяным пластом, выходят на поверхность (рис. 2.27). Какова должна быть плотность глинистого раствора, применяемого при бурении (Рmin), чтобы не было фонтанирования нефти при вскрытии пласта? Глубина скважины А = 2500 м; расстояние между уровнем выхода подземных вод на поверхность и границей вода-нефть h 1 = 3200 м; расстояние между уровнем выхода грунтовых вод на поверхность и устьем скважины h 2 = 600 м; плотность подземных вод р в = 1100 кг/м 3 ; плотность нефти р н = 850 кг/м 3 .

Скачать решение задачи 2.29

Задача 2.30. Для проведения опыта по сжатию используют поршневой пресс, имеющий размеры: диаметр цилиндра D = 105 мм, диаметр штока поршня d 1 = 55 мм. Насос, управляющий прессом, имеет поршень диаметром d = 18 мм и рычаги с размерами a = 100 мм и b = 900 мм (рис. 2.28). Определить давление р в гидравлической сети и усилие Р на конце рычага насоса, если усилие сжатия Q = 1 МН.

Скачать решение задачи 2.30

Задача 2.31. Цилиндр диаметром d = 20 см заполнен водой и закрыт сверху без зазора плавающим поршнем, на который положен груз массой 5 кг. На какую высоту поднимется вода в пьезометре, соединенном с поршнем?

Скачать решение задачи 2.31

Задача 2.32. Определить давление воды на дно резервуара и на пробку, закрывающую отверстие в наклонной стенке резервуара. Давление на свободную поверхность жидкости р 0 = 5 МПа; А = 2 м; диаметр пробки h = 40 мм; h G = 1 м.

Скачать решение задачи 2.32

Задача 2.33. Определить показание вакуумметра hв (мм рт. ст.), установленного на маслобаке (рис. 2.29), если относительная плотность масла р м = 0,85; Н = 1,2 м; h= 150 мм.

Скачать решение задачи 2.33

Сила давления жидкости на стенку (плоскую и криволинейную)

Задача 3.1 . Рассчитать манометрическое давление рм и силу давления, действующую на верхнюю крышку сосуда, полностью заполненного водой (рис. 3.1), если вес сосуда G = 5*10 4 Н; диаметр сосуда D = 0,4 м; S 2 - площадь сечения верхней крышки; диаметр поршня, действующего на жидкость, d = 0,2 м;

Скачать решение задачи 3.1

Задача 3.2, Определить силу давления на вертикальную стенку АВСD сосуда, полностью заполненного водой (рис. 3.2), и положение центра давления, если L = 32 м; 1=26 м; h = 18 м; р = 1000 кг/м 3 ; g = 10 м/с 2 .

Скачать решение задачи 3.2

Задача 3.3. Определить силы давления жидкости на стенки и основание открытого соеуда, если l=5м; b=3м; р = 1000 кг/м 3 ; h = 2 м; а = 60°; g=10 м/с 2 (рис. 3.3).

Скачать решение задачи 3.3

Задача 3.4. Определить силу давления воды Р" на крышку, перекрывающую прямоугольное отверстие в плоской стенке резервуара (рис. 3.4), вертикальную координату hд точки ее приложения и усилие N. которое необходимо приложить к крышке в точке К, если размеры отверстия В = 30 см, Н = 20 см, расстояние от верхней кромки отверстия до свободной поверхности воды а = 120 мм, расстояние между точкой К и осью шарнира О-О l=250 мм, показание манометра, установленного на верхней крышке резервуара, рм= 0,2 10 5 Па.

Скачать решение задачи 3.4

Задача 3.5. Определить силы давления на боковые поверхности резервуара, заполненного бензином (рис. 3.5), и координаты центров давления, если а = 60°; b=1м; h = 4м; р = 750 кг/м 3 ; g = 10 м/с 2 .

Скачать решение задачи 3.5

Задача 3.6. Определить силу давления воды на цилиндрическую стенку резервуара (рис. 3.6), а также угол наклона к горизонту линии действия этой силы а, если радиус стенки R = 2 м, ширина стенки В = 3 м, высота уровня воды в трубке пьезометра, установленного на верхней крышке резервуара, h = 0,5 м.

Скачать решение задачи 3.6

Задача 3.7. Определить силу давления на основание резервуара (рис. 3.7), а также силу, действующую на землю под резервуаром, если h = 3 м; b = 3 м; р = 1000 кг/м 3 ; l1 = 6 м; а = 60°; g = 10 м/с 2 . Объяснить полученные результаты. Весом резервуара можно пренебречь.

Скачать решение задачи 3.7

Задача 3.8. Определить силу F необходимую для удержания вертикального панно (стенки) шириной b = 4 м и высотой Н= 5,5 м (рис. 3.8) при глубине воды слева h 1 = 5 м, справа h 2 = 2 м; р = 1000 кг/м 3 ; g = 10 м/с 2 .

Скачать решение задачи 3.8

Задача 3.9. Резервуар, содержащий бензин (р = 900 кт/м 3 ), разделен на две части плоской стенкой, имеющей квадратное отверстие, которое закрыто (рис. 3.9). Определить результирующую силу давления и момент сил давления по отношению к точке А, а также точку приложения этой результирующей силы. Исходные данные: p 1 = 0,15 Н/см 2 ; р 2 = 0,05 Н/см 2 ; а = 1 м; g = 10 м/с 2 .

Скачать решение задачи 3.9

Задача 3.10. Резервуар заполнен бензином (рб = 750 кг/м3) на высоту H = 2 м. На дне резервуара расположено отверстие ахb = 0,5 х 0,6 м, закрытое трапом, которое вращается вокруг шарнира А (рис. 3.10). Вес трапа G = 120 Н. Определить силу Tmin открытия трапа и расстояние х приложения этой силы.

Скачать решение задачи 3.10

Задача 3.11. Трубопровод диаметром d = 0,75 м заканчивается заполненным нефтью (р = 860 кг/м 3 ) резервуаром и закрыт крышкой с 12 болтами (рис. 3.11). Свободная поверхность в резервуаре находится на расстоянии hд = 7 м от центра тяжести крышки. Напряжение На разрыв стали болтов [G] = 7000 Н/см 2 . Определить силу давления жидкости на крышку, глубину центра давления и диаметр болтов, если D = d.

Скачать решение задачи 3.11

Задача 3.12. Определить силу давления на основание резервуаров, представленных на рис. 3.12, а также силу реакции земли. Резервуары заполнены бензином одинаковой плотности. Весом резервуаров можно пренебречь. Исходные данные: d = 1 м; d 1 = 0,5 м; D = 2 м; h 1 = 1 м; h 2 = 2 м; h 3 = 1,5 м; р = 700 кг/м 3 .

Скачать решение задачи 3.12

Задача 3.13. Определить силу суммарного давления воды на пло-I кий щит, перекрывающий канал, и усилие, которое необходимо приложить для подъема щита. Ширина канала b = 1,8 м, глубина воды в нем h = 2,2 м. Вес щита G = 15 кН. Коэффициент трения щита по опорам f= 0,25 (рис. 3.13).

Скачать решение задачи 3.13

Задача 3.14. Определить результирующую силу давления на плоскую поверхность А и положение точки ее приложения (рис. 3.14). Показание манометра на закрытом резервуаре, заполненном водой, рм=5000Н/м2; H=4 м; D= 1 м; р = 1000 кг/м 3 ; g = 10 м/с 2 .

Скачать решение задачи 3.14

Задача 3.15. Показание манометра М1, р1 = 5 Н/см 2 , показание манометра М 2 р 2 = 6 Н/см 2 , р = 1000 кг/м 3 и g = 10 м/с 2 . Определить позицию свободной поверхности от дна резервуара (рис. 3.15).

Скачать решение задачи 3.15

Задача 3.16. На плоской боковой поверхности резервуара имеется полусферическая крышка-трап (рис. 3.16). Высота жидкости над центром трапа Н, показание вакуумметра, установленного на резервуаре, р у. Определить результирующее давление на крышку трапа, если D = 0,6 м; H= 3,5 м; р у = 0,05 МПа; р = 1000 кг/м3; g = 10 м/с 2 .

Скачать решение задачи 3.16

Задача 3.17 . Щит, перекрывающий канал, расположен под углом а = 45° к горизонту и закреплен шарнирно к опоре над водой (рис. 3.17). Определить усилие, которое необходимо приложить к тросу для опрокидывания щита, если ширина щита b = 2 м, глубина воды перед щитом H 1 = 2,5 м, после щита Н 2 = 1,5 м. Шарнир расположен над высоким уровнем воды на расстоянии Н 3 = 1 м. Весом щита и трением в шарнире можно пренебречь.

Скачать решение задачи 3.17

Задача 3.18. Имеется цилиндрическая цистерна с бензином (рис. 3.18). Манометр показывает избыточное давление паров над свободной поверхностью. Определить силу давления на поверхность АВ и координату центра давления, если D = 2,2 м; H =2,4 м; p = 0,72*10 3 кг/м 3 ; p м = 1,5 10 5 Н/м 2 ; g = 10 м/с 2 .

Скачать решение задачи 3.18

Задача 3.19. Уровень жидкости в пьезометре находится на той же горизонтальной плоскости, что и верхняя точка сферического резервуара с жидкостью плотностью р = 1000 кг/м 3 . Две полусферы диаметром 2 м связаны болтами (рис. 3.19). Определить силу Р, действующую на все болты, если P = F верт1 + F верт2

Скачать решение задачи 3.19

Задача 3.20. Стальной полусферический резервуар радиусом R = 1 м и массой m = 2550 кг, расположенный на горизонтальной плоскости А-А, через пьезометр заполняется водой (рис. 3.20). При какой высоте х произойдет отрыв резервуара от плоскости А-А?

Скачать решение задачи 3.20

Задача 3.21 . Резервуар наполнен бензином. Определить силы дшшения, действующие на основание, боковые поверхности и крышу, если D = 5 м; h = 1,5 м; H= 4 м; рб = 800 кг/м 3 ; g = 9,81 м/с 2 (рис. 3.21).

Скачать решение задачи 3.21

Задача 3.22. В стенке резервуара просверлен трап, который закрывается полусферической крышкой радиусом R = 0,1 м и весом 200 Н (рис. 3.22). Какова должна быть высота H воды в резервуаре, чтобы крышка открылась?

Скачать решение задачи 3.22

Задача 3.23. Стальной резервуар в форме усеченного конуса не имеет дна и установлен на горизонтальной плоскости (рис. 3.23). На какую высоту х должна подняться жидкость, чтобы резервуар оторвался от горизонтальной плоскости под действием давления жидкости на боковую поверхность, если D = 2м; d=1 м; H= 4 м; а = 3 мм; рст = 7800 кг/м 3 ; рв = 1000 кг/м 3 ; g=10 м/с 2 ?

Скачать решение задачи 3.23

Задача 3.24. Простейший ареометр (прибор для определения плотности жидкости), выполненный из круглого карандаша диаметром d = 8 мм и прикрепленного к его основанию металлического шарика диаметром dш = 5 мм, имеет вес G = 0,006 Н. Определить плотность жидкости р, если ареометр цилиндрической частью погружается в нее на глубину h = 1,5 см.

Скачать решение задачи 3.24

Задача 3.25. Резервуар, состоящий из двух идентичных частей конической формы, полностью заполнен водой. Рассчитать силы, действующие на болты в горизонтальных плоскостях А-А, В-В и С-С (рис. 3.24). Показание манометра на крышке (А-А) р м = 5 Н/см 2 масса крышки m1 = 60 кг, масса конической части m 2 = 90 кг; d 1 = 1,8 м; d 2 = 0,9 м; h = 1,2 м.

Скачать решение задачи 3.25

Задача 3.26. Для поддержания стенки резервуара используются четыре двутавровые балки, при этом Р 1 = Р 2 = Р 3 = Р 4 (рис. 3.26). Определить расстояния h 1 h 2 , h 3 , h 4 , если ширина стенки b = 1 м; высота свободной поверхности Н=6 м.

Скачать решение задачи 3.26

Задача 3.27. Резервуар А наполнен жидкостью плотностью ря (рис. 3.27). Внутри крышки-цилиндра В диаметром d = 10 см имеется поршень, на который действует сила F. Жидкость находится в равновесии и расположена на высоте h2 от крышки-цилиндра. По показаниям ртутного манометра h 5 = 0,08 м и зная высоты h 2 =0,25 м, h 3 =0,3 м, h 4 = 0,7 м, h 5 = 0,08 м и h 6 = 0,15 м, определить: 1) показание пьезометра Нг; 2) показание манометра С; 3) силу F, действующую на поршень; 4) абсолютное давление жидкости под поршнем pабс, если рт = 10 5 Па; рх = 900 кг/м 3 ; р рт = 13600 кг/м 3 , g = 10 см.

Скачать решение задачи 3.27

Задача 3.28. Бассейн, заполненный бензином (р = 900 кг/м 3 ), опорожняется с помощью трубопровода, закрытого клапаном (рис. 3.28). Рассчитать силу Р, необходимую для поднятия клапана, если вес клапана G = 29,4 Н, диаметр трубопровода d = 0,4 м, высота жидкости по отношению к центру тяжести Н= 3,5 м, размеры рычага а = 0,55 м и bn = 1,3 м; а = 30.

Скачать решение задачи 3.28

Задача 3.29. Закрытый резервуар содержит бензин (рис. 3.29) плотностью р = 950 кг/м 3 . Напряжение насыщенного пара p 1 = 70 мм рт.ст. Имеются три полусферические крышки диаметром D = 0,35 м. Зная высоты h = 0,8 м, h 1 = 1 м и h 2 = 1,8м, найти вертикальную и горизонтальную составляющие, а также равнодействующую силу действующую на болты крышек; координату центра давления.

Скачать решение задачи 3.29

Плавание тела. Закон Архимеда

Задача 4.1 . В обычных условиях человек поднимает без труда стальную гирю массой m 1 = 30 кг. Стальную гирю какой массы человек может поднять без труда под водой, если рв = 1000 кг/м 3 ; р ст =7,8*10 3 кг/м 3 ?

Скачать решение задачи 4.1

Задача 4.2. Прямоугольная баржа размером l х b х H = 60 х 8 х З,5 м (рис. 4.1) наполнена песком относительной плотностью р п = 2,0 кг/м 3 и несом G = 14400 kН. Определить осадку баржи h; объем песка, который необходимо отгрузить с баржи, чтобы осадка не превышала h =1,2 м (р в = 1000 кг/м 3).

Скачать решение задачи 4.2

Задача 4.3. Коническое тело с диаметром основания D и высотой Н плавает в жидкости плотностью р 2 (рис. 4.2). Плотность тела p 1 . Определить глубину погружения конического тела z.

Скачать решение задачи 4.3

Задача 4.4 . Свободная поверхность жидкости в резервуаре находится на расстоянии h" 1 + h" 2 от его основания. После погружения цилиндра диаметром и расстояние до свободной поверхности стали равным h 1 + h" 1 + h" 2 . Определить диаметр d цилиндра, если h 1 = 200 мм; h 2 = 288 мм; D = 60 мм (рис. 4.3).

Скачать решение задачи 4.4

Задача 4.5. Лодка плывет по воде (рис. 4.4). Определить глубину погружения Н. Сколько человек (массой 67,5 кг каждый) может разместиться в лодке при условии, что она не погрузится полностью (плотность лодки р = 700 кг/м 3 ); h = 0,3 м; а = 0,3 м; b = 5 м?

Скачать решение задачи 4.5

Задача 4.6. Понтон весом G 1 = 40 кН нагружен грузом G 2 (рис. 4.5). Центр тяжести находится на расстоянии h = 0,45 м от основания понтона. Размеры понтона: длина L = 8 м, ширина l = 4 м, высота Н = 1 м. Определить вес груза G 2

Скачать решение задачи 4.6

Задача 4.7. Поплавок, сделанный из меди, служит для указания уровня раздела воды и бензина. Определить диаметр D поплавка, если б = 1 мм; d = 3 мм; L = 2 м; р меди = 9000 кг/м 3 ; р б = 860 кг/м 3 ; рв= 1000 кг/м 3 ; l= 1 м; Н= 10 см (рис. 4.6).

Скачать решение задачи 4.7

Задача 4.11. Буровая скважина наполнена глинистым раствором плотностью р р = 1400 кг/м 3 . Определить координату z поперечного сечения, где напряжение [G] = 0. Буровая штанга из стали имеет длину L = 800 м, внутренний диаметр d= 156 мм, толщина стенки трубы б = 7 мм, р ст = 7800 кг/м 3 (рис. 4.11).

Скачать решение задачи 4.11

Задача 4.12. Коническое тело с диаметром основания d= 0,4м, высотой h = 0,5 м и массой m = 10 кг плавает в воде (рис. 4.12). Какое количество воды необходимо залить в эту емкость для полного его погружения?

Скачать решение задачи 4.12

Задача 4.13. Стальной конический клапан диаметром В и высотой А служит для закрытия отверстия круглой формы, куда он опускается на 2/3h (рис. 4.13). Позиция свободной поверхности соответствует высоте Н. Определить силу Р, необходимую для открытия клапана, если D = 0,5 h; Н= 5h; рст = 7800 кг/м3; р в = 1000 кг/м 3 ; h = 0,5м.

Скачать решение задачи 4.13

Уравнение неразрывности. Уравнение Бернулли

Задача 5.1 . Расход идеальной жидкости относительной плотности б = 0,860 в расширяющемся трубопроводе с диаметрами d 1 = 480 мм (сечение 1-1) и d 2 = 945 мм (сечение 2-2) равен Q= 0,18 м 3 /с (рис. 5.1). Разница в позициях центра сечений равна 2 м. Показание манометра в сечении 1-1 равно р 1 = 3*10 5 Н/м 2 . Определить скорость жидкости в сечениях 1-1 и 2-2; давление р 2 в сечении 2-2.

Скачать решение задачи 5.1

Задача 5.2. Сифон длиной l = 1 1 + l 2 = 25м и диаметром d = 0,4 м (рис. 5.2) позволяет перетекать воде из одного резервуара в другой. Центральная часть сифона поднимается на высоту h 1 = 2м над свободной поверхностью жидкости. Разница уровней в резервуарах z = 2,5 м. Коэффициент потери напора по длине 0,02, коэффициенты местных потерь: входа 0,5, выхода 1; поворота трубопровода 0,4. Определить расход воды в сифоне.

Скачать решение задачи 5.2

Задача 5.3 . Наклонный трубопровод состоит из четырех составных частей с диаметрами d 1 = 100 мм; d 2 = 75 мм; d 3 = 50 мм; d 4 = 25 мм (рис. 5.3). Дебит равен 0,01 м 3 /с, относительная плотность жидкости б = 0,95. Рассчитать давления р 1 ; р 2 ; р 3 в соответствующих поперечных сечениях, имеющих координаты центров z 1 = 5 м, z 2 = 4 м, z 3 = 3 м. Потерями напора можно пренебречь

Скачать решение задачи 5.3

Задача 5.4. Последовательно соединенные трубопроводы с водой имеют U-образный ртутный манометр (рис. 5.4). Рассчитать давления и скорости воды в двух сечениях данных трубопроводов, пренебрегая потерями напора, если Q = 10 л/с; d 1 = 5 см; d2 =10 см; р в = 1000 кг/см3; р от = 13600 кг/м 3 ; d H = 700 мм рт. ст.; Н= 1 м.

Скачать решение задачи 5.4

Задача 5.5 Через трубопровод диаметром d = 100 мм движется вода с расходом Q = 8 л/с (рис. 5.5). С помощью U-образного ртутного манометра между сечениями 1-1 и 2-2, расположенными на расстоянии l=50м друг от друга, берется разность показаний h = 32 мм. Относительная плотность ртути б = 13,6. Определить коэффициент потери напора на трение.

Скачать решение задачи 5.5

Задача 5.6 . Расходомер Вентури расположен в наклонном трубопроводе с диаметрами d 1 = 0,25 м, d 2 = 0,1 м (рис. 5.6). В двух сечениях ртутным манометром производится замер разности давлений Зная разницу давлений h = 0,1 м ртутного столба, определить расход воды (р рт = 13600 кг/м 3 ).

Скачать решение задачи 5.6

Задача 5.7. Идеальная жидкость относительной плотностью б= 0,8 перетекает через систему трех трубопроводов с диаметрами d 1 = 50 мм, d 2 = 70 мм, d 3 = 40 мм под постоянным напором Н= 16 м (рис. 5.7). Трубопроводы полностью заполнены жидкостью. Определить расход жидкости Q.

Скачать решение задачи 5.7

Задача 5.8. Вода протекает по водомеру Вентури, состоящему из трубы диаметром d = 20 см, в которую вставлен участок трубы диаметром d 2 = 10 см (рис. 5.8). Пренебрегая сопротивлением, опреде¬лить расход воды, если в пьезометрах П 1 и П 2 разность показаний h = 0,25 м.

Скачать решение задачи 5.8

Задача 5.9. Пренебрегая всеми потерями напора, определить высоту Н и расход С струи воды (рв = 1000 кг/м 3 ) начальным диаметром d = 25 м при выходе из сопла длиной h = 0,25 м. Выброс струи осуществляется вертикальной трубкой диаметром D = 500 мм и длиной H 0 = 3 м, которая подпитывается из резервуара с постоянным уровнем под избыточным давлением рм = 5 Н/см 2 = 5*10 4 Н/м 2 над свободной поверхностью (рис. 5.9).

Скачать решение задачи 5.9

Задача 5.10. Центробежный насос должен обеспечить расход Q= 0,1 м 3 /с и давление на высоте р2 = 4,7 10 4 Н/м 2 . Всасывающая труба имеет диаметр d = 0,3 м и длину L = 24 м, а также фильтр на входе, имеющий местный коэффициент сопротивления ξ = 5. Всасывание воды осуществляется из открытого резервуара (рис. 5.10). Коэффициент потерь на трение 0,02, коэффициент местных сопротивлений поворот ξ = 0,2. Определить высоту всасывания

Скачать решение задачи 5.10

Задача 5.11. Горизонтальная часть эжектора расположена на высоте h = 2 м от свободной поверхности жидкости в резервуаре. Диаметр горловины эжектора d = 20 мм, а диаметр выходного сечения D = 60 мм (рис. 5.11). Определить давление в минимальном сечении эжектора и максимальный расход при отсутствии расхода в трубке А.

Скачать решение задачи 5.11

Задача 5.12. Два резервуара, содержащие воду (резервуар А закрыт, резервуар В открыт и связан с атмосферой), соединены с помощью трубопроводов с диаметрами d 1 = 70 мм и d 2 = 100 мм и длинами l 1 = 3 м и l 2 = 5 м (рис. 5.12). Разность уровней воды в резервуарах H= 5 м. Предположим, что уровни 1- 1 и 5-5 остаются постоянными. Определить расход воды Q, если ри = 20 Н/см 2 = 20*10 4 Н/м 2 ; λ = 0,02.

Скачать решение задачи 5.12

Задача 5.13. Течение воды осуществляется из резервуара с постоянным уровнем Н= 16 м через короткий трубопровод, состоящий из отрезков труб с диаметрами d 1 = 50 мм и d 2 = 70 мм (рис. 5.13). На конце трубопровода помещено запорное устройство с коэффициентом местных потерь ξ = 4. Другими потерями можно пренебречь. Определить расход воды Q.

Скачать решение задачи 5.13

Задача 5.14. Резервуары А и Б с водой соединены горизонтальным трубопроводом, состоящим из отрезков труб с диаметрами d 1 = 100 мм и d 2 = 60 мм и имеющим кран с коэффициентом местных потерь ξ = 5 (рис. 5.14). Другими потерями можно пренебречь. Разница в уровнях жидкости в резервуарах Н = 3 м. Определить расход жидкости в трубопроводе Q. Каким должен быть коэффициент местных потерь, чтобы расход жидкости увеличился в два раза?

Скачать решение задачи 5.14

Задача 5.15, Согласно показанию манометра избыточное давление в закрытом резервуаре р изб = 4*10 6 Н/м 2 . Ось трубопровода находится на глубине h = 5 м от свободной поверхности (рис. 5.15). Коэффициенты местного сопротивления запорного крана 4, сопла 0,06. Линейным сопротивлением трубопровода можно пренебречь. Определить расход воды Q, если d 1 = 10 см; d 2 = 20 см; d 3 = 8 см.

Скачать решение задачи 5.15

Задача 5.16. Система из двух соединенных последовательно трубопроводов d 1 = 100 мм и d 2 = 200 мм, l 1 = 200 м и l 2 = 300 м соединяет резервуары Аи В, имеющие свободные поверхности на уровнях H1 = 100 м и Н2 = 200 м (рис. 5.16). Коэффициенты потерь на местные сопротивления: ξ 1 = 0,5; ξ 2 = 0,1; ξ 3 = 0,6; коэффициент трения на линейные сопротивления для сформировавшегося турбулентного режима λ = 0,02 + 0,5/d. Определить расход жидкости между резервуарами.

Скачать решение задачи 5.16

Задача 5.17. Жидкость вытекает из резервуара через трубопровод диаметром d = 100 мм длиной l= 50 м (рис. 5.17). Уровень свободной поверхности, находящийся на высоте Н = 4 м, остается постоянным. Рассчитать расход жидкости: в горизонтальном трубопроводе Q 1 ; в наклонном трубопроводе Q 2 (z = 2 м). Местными потерями напора можно пренебречь.

Скачать решение задачи 5.17

Задача 5.18. Определить, на какую высоту hвых поднимется вода в трубке, один конец которой присоединен к суженной части трубы, а другой опущен в воду (рис. 5.18). Расход воды в трубе Q = 0,025 м 3 /с, избыточное давление р 1 = 49 кПа, диаметры d 1 = 100 мм и d 2 = 50 мм.

Скачать решение задачи 5.18

Задача 5.19 Вертикальный трубопровод, соединяющий основание резервуара с атмосферой, имеет следующие параметры: h=5 м, l 1 = 4 м; l 2 = 10 м; l 3 = 3 м; d 1 = 100 мм; d 2 = 150 мм (рис. 5.19). Коэффициент потерь напора на линейные сопротивления для сформировавшегося турбулентного режима определен по эмпирической формуле λ=0,02 + 0,5/d. Рассчитать расход жидкости в трубопроводе и давление в точке В. Потерями на местные сопротивления можно пренебречь.

Скачать решение задачи 5.19

Задача 5.20. Определить расход воды Q в трубе диаметром d1= 250 мм, имеющей плавное сужение до диаметра d 2 = 125 мм, если показания пьезометров: до сужения hv = 50 см; в.сужении h 2 = 30 см. Температура воды 20 °С (рис. 5.20).

Скачать решение задачи 5.20

Задача 5.21. Трубопровод диаметром d=25 мм служит для транспортирования воды, которая выливается наружу (рис. 5.21). Показание манометра, установ

Скачать решение задачи 5.21

Задача 5.22. Имеется центробежный насос производительностью Q = 9000 л/с, состоящий из всасывающего и нагнетательного трубопроводов. На входе во всасывающий трубопровод диаметром d 1 = 30 см давление составляет р 1 = 200 мм рт. ст., в нагнетательном трубопроводе диаметром d 2 = 20 см, находящемся на высоте z =1,22 м над осью всасывающего трубопровода, давление р 2 = 7 Н/см 2 . Определить гидравлическую мощность насоса.

Скачать решение задачи 5.22

Задача 5.23. Определить расход минерального масла, движущегося по трубе диаметром d = 12 мм, изогнутой под прямым углом. Показания манометров, поставленных перед коленом и после него, составляют соответственно р 1 = 10 МПа и р 2 = 9,96 МПа.

Скачать решение задачи 5.23

Задача 5.24. Определить расход жидкости через зазор между цилиндром и поршнем, если dг= 20,04 см, d2 = 20 см, длина сопряжения l=15 см. Поршень неподвижный. Перепад давления р = 20 МПа, вязкость жидкости μ = 170 10 -4 Н* с/м 2 .

Скачать решение задачи 5.24

Задача 5.25. Рассчитать потери давления в прямом трубопроводе длиной L = 40 м и внутренним диаметром d=16 мм при движении в нем жидкости плотностью р = 890 кг/м3 и вязкостью
V = 20 10 -6 м 2 /с. Скорость потока w = 3 м/с.

Скачать решение задачи 5.25

Задача 5.26. Определить повышение давления в трубе диаметром d = 5 см с толщиной стенки б = 2 мм при гидравлическом ударе. Скорость потока в трубе v = 7 м/с. Модуль упругости жидкости Еж = 2700 МПа, плотность жидкости р = 900 кг/м3. Модуль упругости материала трубы Е = 2*10 5 МПа.

Скачать решение задачи 5.26

Задача 5.27. Определить давление струи жидкости на неподвижную, наклонную к горизонту на угол 15° стенку. Струя вытекает из конически сходящейся насадки диаметром 1 мм с давлением 20 МПа. Плотность жидкости р = 900 кг/м 3 .

Скачать решение задачи 5.27

Задача 5.28. Определить изменение заключенного в стальном цилиндре объема жидкости, находящейся под атмосферным давлением при его увеличении на 20 МПа. Длина цилиндра 1 м, внутренний диаметр d = 100 мм, толщина стенки цилиндра б=1 мм; Eм = 1700*10 6 Н/м 2 ; Eст = 2*10 5 МН/м 2 .

Скачать решение задачи 5.28

Задача 5.29. Имеются два трубопровода с диаметрами d 1 = 100 мм и d 2 = 50 мм. Вязкость жидкости в трубопроводах соответственно v 1 = 23*10 -6 м2/с и v 2 = 9*10 -6 м 2 /с. Скорость жидкости в трубопроводе большего диаметра v 1 = 7 м/с. При какой скорости жидкости в трубопроводе меньшего диаметра потоки будут подобны?

Скачать решение задачи 5.29

Задача 5.30. Определить мощность, расходуемую потоком воды на участке трубопровода длиной l = 10 м (рис. 5.23), если угол наклона трубопровода 30°, диаметр большой трубы D = 0,2 м, диаметр малой трубы d = 0,1 м, расход воды Q = 0,05 м 3 /с, разность уровней ртути в дифференциальном манометре h = 0,4 м, движение воды турбулентное.

Скачать решение задачи 5.30

Задача 5.31. По трубопроводу (см. рис. 5.23) движется сжатый воздух. Абсолютное давление воздуха р 1 = 0,4 МН/м 2 , температура t = 20 °С, расход Q 0 = 0,5 м 3 /с (расход, приведенный к нормальным атмосферным условиям). Показание дифманометра h = 0,4 м. Определить мощность, расходуемую воздушным потоком на участке длиной l = 10 м при изотермическом процессе.

Скачать решение задачи 5.31

Cтраница 1 из 2

• Начало
• Предыдущая

ВОЗДЕЙСТВИЕ ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ ДАЙВИНГА

Как меняется давление под водой и каким образом его изменение влияет на плавучесть, уравнивание давления в пазухах, действительное время на дне и вероятность развития декомпрессионной болезни?

Давайте еще раз рассмотрим основные аспекты, связанные с давлением, и вспомним об особенности: ближе к поверхности давление меняется быстрее, чем на глубине .

Воздух имеет вес
Да, воздух на самом деле тоже имеет вес. Вес воздуха создает давление на тело человека, равное примерно 760 мм рт. ст. Именно этот показатель называется нормальным атмосферным давлением, поскольку именно такое давление атмосфера оказывает на земную поверхность и все находящиеся на ней предметы. Большинство расчётов давления в дайвинге указывается в атмосферных единицах (atm).

С увеличением глубины увеличивается давление
Чем больше толща воды над дайвером, тем большее давление оказывается на его организм. Чем глубже он погружается, тем больше воды над ним и тем большее давление создает эта вода. Давление, оказываемое на дайвера на определенной глубине, – это сумма давлений и воздуха, и воды.

Каждые 10 м соленой воды = 1 atm
Испытываемое дайвером давление = давление воды + 1 atm атмосферного давления

Из-за давления воды воздух сжимается
Согласно закону Бойля-Мариотта, с увеличением давления наличествующий в воздушных полостях в теле человека и в дайвоборудовании воздух сжимается (и, соответственно, расширяется по мере уменьшения давления).

Закон Бойля-Мариотта : Объем воздуха = 1/ Давление

Не дружите с математикой? Тогда я поясню: это означает, что чем глубже вы погружаетесь, тем больше сжимается воздух. Если, скажем, давление равно 2 atm, что соответствует глубине 10 метров соленой воды, то объем сжатого воздуха составит ½ от изначального объема воздуха на поверхности.

Давление влияет на многие аспекты дайвинга

Теперь, когда мы повторили физику, давайте рассмотрим, как давление влияет на главные аспекты дайвинга.

1. Уравнивание давления

По мере погружения, давление заставляет сжиматься имеющийся в теле дайвера воздух. Пространства, где есть воздух (ушные раковины, маска, легкие), становятся «вакуумными», потому что сжатый воздух создаёт отрицательное давление. Это вызывает болевые ощущения и приводит к баротравме.

При поднятии на поверхность происходит обратное. Уменьшающееся давление заставляет воздух, находящийся в воздушных полостях дайвера, расширяться. Возникает положительное давление, поскольку теперь каждая полость переполняется расширившимся воздухом. При самом худшем развитии событий это может привести к разрыву барабанной перепонки или легких. Вот почему дайвер ни в коем случае не должен задерживать дыхание будучи под водой. Приблизившись к поверхности даже на немного при задержанном дыхании, он может травмировать легкие.

Чтобы избежать травм, связанных с давлением (например, баротравмы ушной раковины), дайвер должен уравнивать давление в своем организме с внешним давлением.

Чтобы уравнять давление при погружении, дайвер добавляет воздуха в воздушные полости в противовес эффекту «вакуума»:

• осуществляя нормальное дыхание, что обеспечивает доступ воздуха в легкие при каждом вдохе
• добавляя воздух в пространство между лицом и маской, выдыхая через нос
• добавляя воздух в ушные раковины и пазухи, используя одну из техник выравнивания давления в ушах
• чтобы уравнять давление при поднятии на поверхность, дайвер выпускает воздух из всех воздушных пазух, чтобы они не распирали жизненно важные органы:
• осуществляя нормальное дыхание, благодаря которому лишний воздух выходит из легких при каждом выдохе
• осуществляя медленное поднятие на поверхность, давая возможность самостоятельно выйти лишнему воздуху из ушей, синусов и пространства между лицом и маской

2. Плавучесть

Дайверы контролируют свою плавучесть путем регулирования объема своих легких и компенсатора плавучести.

По мере погружения, увеличившееся давление заставляет сжиматься воздух в компенсаторе плавучести и мокром костюме (в неопрене есть маленькие пузырьки). Таким образом, дайвер создает отрицательную плавучесть и опускается на глубину. По мере погружения воздух в оборудовании еще больше сжимается и дайвер погружается еще быстрее. Если он не подкачает воздух в свой BCD, чтобы компенсировать отрицательную плавучесть, то может очень быстро оказаться в ситуации полной потери контроля над процессом погружения.

При поднятии на поверхность, напротив, воздух в оборудовании для дайвинга начинает расширяться. Расширившийся воздух дает положительную плавучесть и поднимает дайвера наверх. По мере его движения к поверхности внешнее давление уменьшается, а воздух в оборудовании продолжает расширяться. Дайвер должен постоянно стравливать воздух с BCD во время всплытия, иначе он рискует совершить неконтролируемое быстрое всплытие (одна из самых опасных ситуаций).

Дайвер должен подкачивать воздух в свой компенсатор при погружении и стравливать его при поднятии на поверхность. Это правило может казаться нелогичным до тех пор, пока дайвер не поймет сам принцип воздействия давления на плавучесть.

3. Действительное время на дне

Действительное время на дне – это период, который дайвер может оставаться на дне (запланированной глубине) до того, как начнет подниматься на поверхность. Внешнее давление влияет на этот период в двух важных аспектах.

Увеличившееся потребление воздуха сокращает действительное время на дне

Воздух, которым дышит дайвер, сжимается из-за внешнего давления. Если дайвер погружается на 10 м, что соответствует давлению 2 atm, воздух, которым он дышит, сжимается вполовину от изначального объема, т.к. мы можем дышать под давление окружающей среды и именно под этим давлением регулятор подает нам воздух. Соответственно при равных условиях (темп и глубина дыхания) на глубине 10 метров каждый раз, когда дайвер делает вдох, он потребляет вдвое больше воздуха, чем на поверхности. Соответственно, запас его воздуха иссякнет вдвое быстрее. Чем глубже будет погружение, тем быстрее кончится запас воздуха.

Увеличившееся поглощение азота сокращает действительное время на дне

Чем больше внешнее давление, тем быстрее ткани организма дайвера абсорбируют азот. Не будем вдаваться в подробности, однако напомним, что организм дайвера может переносить строго определенное количества азота и увеличение этой нормы может привести к развитию декомпрессионной болезни. Чем глубже погружается дайвер, тем меньше у него времени до того, как его ткани абсорбируют максимально допустимое количество этого газа.

Поскольку по мере увеличения глубины увеличивается и давление, то дайвер начинает потреблять больше воздуха и быстрее абсорбировать азот.

4. Быстрое изменение давления может привести к развитию декомпрессионной болезни

Увеличившееся давление под водой заставляет ткани организма дайвера абсорбировать больше азота. Если дайвер поднимается на поверхность медленно, то расширяющийся азот постепенно выходит из тканей и крови дайвера при каждом выдохе.

Однако организм дайвера не способен быстро избавляться от лишнего азота. Чем быстрее дайвер поднимается на поверхность, тем быстрее расширяется азот и тем быстрее он должен удаляться из организма. Если дайвер проходит через быстро меняющееся давление не останавливаясь, его организм оказывается не в состоянии избавиться от этого расширившегося газа и тогда он образует пузырьки в крови и тканях.

Эти пузырьки приводят к развитию декомпрессионной болезни, так как блокируют нормальный ток крови, вызывая инсульт, паралич и другие угрожающие жизни состояния. Быстрое изменение давления является одной самых распространённых причин возникновения декомпрессионной болезни.

Чем ближе к поверхности – тем быстрее меняется давление.

Чем ближе дайвер к поверхности, тем быстрее меняется внешнее давление.

Изменение глубины / Изменение давления / Увеличение давления

0 – 10 м / x 2.0
10 м – 20 м / x 1.5
20 м – 30 м / x 1.33

А теперь сравните с меньше глубиной (ближе к поверхности):

0 – 1,5 м / x 1.15
1, 5 м – 3 м / x 1.13
3 м – 5 м / x 1.12

Чем ближе дайвер к поверхности, тем чаще должен компенсировать меняющееся внешнее давление. Чем меньше глубина, тем чаще дайвер должен:

• уравнивать давление в ушах и маске
• регулировать свою плавучесть для того, чтобы избежать неконтролируемого погружения или спуска

За несколько метров до поверхности дайвер должен быть особенно осторожным. Никогда не нужно пулей лететь вверх после остановки безопасности. На последних 5 метрах внешнее давление меняется быстрее всего и пройти их нужно медленнее, чем весь остальной подъем.

Большинство новичков обычно проходят первые 12 метров глубины под присмотром более опытных дайверов. Так должно быть в идеале. Тем не менее, вы всегда должны помнить, что для дайверу труднее контролировать свою плавучесть и уравнивать давление на мелководье, чем на большой глубине, поскольку изменения давления более значительные!

Давление воздуха - сила, с которой воздух давит на земную поверхность. Измеряется в миллиметрах ртутного столба, миллибарах. В среднем она составляет 1,033 г. на 1 см. кв.

Причина, вызывающая образования ветра - разница атмосферного давления. Ветер дует из области более высокого атмосферного давления, в область с более низким. Чем больше разница в атмосферном давлении, тем сильнее ветер. Распределение атмосферного давления на Земле определяет направление ветров, господствующих в тропосфере на разных широтах.

Образуются при конденсации водяного пара в поднимающемся воздухе вследствие его охлаждения.
. Вода в жидком или твердом состоянии, выпадающая на земную поверхность, называется атмосферными осадками.

По происхождению выделяют два вида осадков:

выпадающие из облаков (дождь, снег, крупа, град);
образующиеся у поверхности Земли ( , роса, изморозь).
Измеряются осадки слоем воды (в мм.), который образуется, если выпавшая вода не стекает и не испаряется. В среднем за год на Землю выпадает 1130 мм. осадков.

Распределение осадков . Атмосферные осадки распределены по земной поверхности очень неравномерно. Одни территории страдают от избытка влаги, другие от её недостатка. Особенно мало получают осадков территории, расположенные вдоль северного и южного тропиков, где воздуха высоки и потребность в осадках особенно велика.

Главная причина такой неравномерности - размещение поясов атмосферного давления. Так, в области экватора в поясе низкого давления постоянно нагретый воздух содержит много влаги, он поднимается вверх, охлаждается и становится насыщенным. Поэтому в области экватора образуется много облаков, и идут обильные дожди. Немало осадков и в других областях земной поверхности, где низкое давление.

В поясах высокого давления преобладают нисходящие воздушные потоки. Холодный воздух, опускаясь, содержит мало влаги. При опускании он сжимается и нагревается, благодаря чему удаляется от точки насыщения, становится суше. Поэтому в областях повышенного давления над тропиками и у полюсов выпадает мало осадков.

По количеству выпадающих осадков ещё нельзя судить об обеспеченности территории влагой. Необходимо учитывать возможное испарение - испаряемость. Она зависит от количества солнечного тепла: чем больше его, тем больше влаги может испариться, если она есть. Испаряемость может быть большой, а испарение маленьким. Например, в испаряемость (сколько влаги может испариться при данной температуре) 4500 мм/год, а испарение (сколько действительно испаряется) всего 100 мм/год. По соотношению испаряемости и испарения судят об увлажненности территории. Для определения увлажнения пользуются коэффициентом увлажнения. Коэффициент увлажнения – отношение годового количества осадков к испаряемости за один и тот же промежуток времени. Он выражается дробью в процентах. Если коэффициент равен 1 - увлажнение достаточное, если меньше 1, увлажнение недостаточное, а если больше 1, то увлажнение избыточное. По степени увлажнения выделяются влажные (гумидные) и сухие (аридные) области.

Задача 1

Турист проехал на велосипеде за один день 40 км. При этом с 9.00 до 11.20 он ехал со скоростью, которая равномерно возрастала со временем от 10 км/ч до 14 км/ч. Затем турист загорал на пляже. На оставшийся путь он потратил время с 18.30 до 20.00. Определите среднюю скорость туриста на вечернем участке поездки.

Возможное решение

С 9.00 до 11.20 турист ехал со средней скоростью (10 + 14)/2 = 12 км/ч (так как скорость возрастала равномерно со временем). Значит, за это время турист проехал расстояние

За время с 18.30 до 20.00 велосипедист проехал 40 – 28 = 12 км. Следовательно, средняя скорость туриста на вечернем участке поездки равна:

Критерии оценивания

• Средняя скорость туриста на утреннем участке поездки (12 км/ч): 4 балла
• Расстояние, которое проехал турист с 9.00 до 11.20 (28 км): 2 балла
• Расстояние, которое проехал турист с 18.30 до 20.00 (12 км): 2 балла
• Средняя скорость туриста на вечернем участке поездки (8 км/ч): 2 балла

Максимум за задачу – 10 баллов .

Задача 2

Система, состоящая из двух однородных стержней разной плотности, находится в равновесии. Масса верхнего стержня m 1 = 1,4 кг. Трение пренебрежимо мало.

Определите, при какой массе m 2 нижнего стержня возможно такое равновесие.

Возможное решение

Так как нижний стержень подвешен за концы, находится в равновесии и его центр тяжести располагается посередине, то силы реакции нитей, действующие на него, одинаковы и равны по модулю m 2 g/2 . Запишем уравнение моментов для верхнего стержня относительно точки крепления левой (верхней) нити:

Критерии оценивания

Силы реакции нитей, действующие на нижний стержень, равны: 3 балла

Значения модулей этих сил реакций (m 2 g/2 ): 2 балла

Уравнение моментов: 4 балла

m 2 = 1,2 кг : 1 балл

Максимум за задачу – 10 баллов .

Задача 3

В цилиндрическом сосуде с водой находится частично погружённое в воду тело, привязанное натянутой нитью ко дну сосуда. При этом тело погружено в воду на две трети своего объёма. Если перерезать нить, то тело всплывёт и будет плавать погружённым в воду наполовину. На сколько при этом изменится уровень воды в сосуде? Масса тела m = 30 г, плотность воды ρ = 1,0 г/см 3 , площадь дна сосуда S = 10 см 2 .

Возможное решение 1

Сила давления стакана на стол (после перерезания нити) не изменится, следовательно,

T = ρ·g· ∆h· S, где ܶT – сила реакции со стороны нити, ∆h – изменение уровня воды. Запишем уравнение равновесия тела в первом случае:

Mg = ρg·(1/2)·V

Из последних двух уравнений находим, что ܶT = 1/3 · mg

Окончательно получаем:

Критерии оценивания

• Сила давления стакана на стол не изменится: 2 балла
• Уравнение равновесия тела в первом случае: 2 балла
• Уравнение равновесия тела во втором случае: 2 балла
• T = 1/3 · mg: 1 балл
• ∆h = T/(ρ·g · S): 2 балла
• ∆h = 0,01м: 1 балл

Возможное решение 2

Уравнение равновесия тела во втором случае:

mg = ρg · ½ · V ⟹ V = 2m/ρ, где ܸV – объём тела.

Изменение объёма погружённой части тела равно:

Окончательно получаем:

Критерии оценивания

• mg = ρg · ½ · V: 4 балла
• ∆V = 1/6 · V : 2 балла
• ∆h = ∆V/S: 3 балла
• ∆h = 0,01 м: 1 балл

Максимум за задачу – 10 баллов .

Задача 4

Определите давление воздуха над поверхностью жидкости в точке А внутри закрытого участка изогнутой трубки, если ρ = 800 кг/м 3 , h = 20 см, p 0 = 101 кПа, g = 10 м/с 2 . Жидкости плотностями ρ и 2ρ друг с другом не смешиваются.