流體處于絕對靜止或相對靜止?fàn)顟B(tài)下的熱學(xué)規(guī)律。靜止流體內(nèi)部浮力的分布規(guī)律,靜止流體對物體表面的斥力的估算方式。流體處于靜止時(shí),表面力中黏性力可不予考慮,僅考慮靜壓強(qiáng)。主要研究內(nèi)容:作用于靜止流體上的力的平衡問題。流體靜力學(xué)2.1靜止流體的浮力特征只有法向撓度的作用,借以壓撓度或浮力。屬于表面力,作用于流體微團(tuán)表面,具有傳遞性。(1)浮力的作用方向沿作用面的內(nèi)法線方向靜止流體內(nèi)部,切撓度為零,只有沿作用面內(nèi)法線方向的撓度——壓強(qiáng)流體靜力學(xué)(2)浮力的大小與作用面的方向無關(guān)平面:XOZ平面:XOY平面:質(zhì)量力和單位質(zhì)量力取紊流中微元多面體,做受力剖析:cos對于無限小的流體質(zhì)點(diǎn),dx0,即可得:同理,可得:在靜止流體中,浮力的大小與作用面的方向無關(guān)!沿任意方向浮力的變化,可以用下式來表示:流體靜力學(xué)2.2靜止流體平衡多項(xiàng)式在靜止流體內(nèi)部取四面體,做x軸方向受力剖析:表面力:x軸正方向x軸負(fù)方向質(zhì)量力:x軸正方向上的份量流體靜力學(xué)整理可得:上式稱為靜止流體平衡多項(xiàng)式,或歐拉平衡微分多項(xiàng)式(Euler,1755)。
方程式的數(shù)學(xué)意義:在靜止流體中,作用在單位容積流體上的質(zhì)量力與浮力合力(浮力梯度)平衡。在靜止流體內(nèi)部,假如浮力在某個方向有變化,即浮力有梯度,必是因?yàn)槟膫€方向有質(zhì)量力份量存在。流體靜力學(xué)左式中,第一、第二及第三式兩端分別除以dx、dy及dz,之后等號的右邊和左邊分別相乘,并考慮到可得:該多項(xiàng)式是流體靜力學(xué)基本多項(xiàng)式的另一種方式,亦稱為壓差公式(直角座標(biāo)系下)。歐拉平衡微分等式既適用于不可壓縮流體,也適用于可壓縮流體。它既適用于絕對靜止的流體,也適用于相對靜止的流體。流體靜力學(xué)圓錐座標(biāo)系中的壓差公式:等壓面—將連通的同種流體內(nèi)部浮力相等的點(diǎn)聯(lián)接上去所得到的曲面。const質(zhì)量力與等壓面垂直在等壓面上液體壓強(qiáng)與容器形狀的關(guān)系,,即dp=0可得:寫成矢量式:兩種中度不同互不相混的液體在同一容器中處于靜止?fàn)顟B(tài)。兩種液體之間的分界面也是等壓面。流體靜力學(xué)2.3重力場中靜止流體內(nèi)部的浮力2.3.1不可壓縮流體gdzdz當(dāng)質(zhì)量力為重力時(shí):由壓差公式得:在等壓面上,dp=0,則dz=0,故等壓面等式為:z=常數(shù)即重力場中液體壓強(qiáng)與容器形狀的關(guān)系,水平面為等壓面。對ρ為常數(shù)的不可壓縮流體,積分壓差公式:流體靜力學(xué)設(shè)液體表面浮力為p可見,液體內(nèi)部的力由液面壓力和液柱自身形成的重力兩部份組成。
流體靜力學(xué)基本多項(xiàng)式流體靜力學(xué)靜水浮力等值傳遞——帕斯卡定理假如液面浮力,這么內(nèi)部浮力p亦相應(yīng)地有所增減Δ關(guān)于浮力的幾點(diǎn)說明:(1)浮力的表示方式以大氣壓為基準(zhǔn)——相對浮力(表壓)以完全真空為基準(zhǔn)——絕對浮力流體靜力學(xué)絕對浮力真空度絕對壓強(qiáng)悍氣壓強(qiáng)絕對真空浮力值表壓強(qiáng)(相對浮力)p各類浮力之間的關(guān)系:(2)浮力的大小只與深度有關(guān),沿深度呈線性分布。深度相同,底面積相同,形成的壓力就相同,與液體多少無關(guān)。流體靜力學(xué)(3)浮力的測度單位a.從浮力的基本定義出發(fā),用單位面積上的力來表示,在國際單位制(SI)中以N/m來表示或則是帕(帕斯卡),用Pa表示。工程單位中規(guī)定大氣壓用符號at表示(海拔200m處正常大氣壓)為1kgf/cm,即1at=1kgf/cm,稱為工程大氣壓。b.以大氣壓來表示。國際上規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓用符號atm表示(體溫為0C時(shí)海平面上的浮力)。1..8110流體靜力學(xué)c.以液柱高度來表示。一般用火柱高度或則汞柱高度,單位為mHO或mmHg。比如一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓相應(yīng)的火柱高度為:/m10./m0..6109.8110流體靜力學(xué)2.3.2二氧化碳浮力的分布1.按不可壓縮流體估算二氧化碳的密度很小,對于通常的儀器、設(shè)備,因?yàn)楦叨葄有限,重力對二氧化碳浮力的影響很小,可以忽視,故可以覺得各點(diǎn)的浮力相等,即2.大氣層浮力的分布大氣受重力作用,密度、溫度都隨高度變化。
標(biāo)準(zhǔn)大氣(氣溫、壓強(qiáng)、密度)對流層、同溫層界定,氣溫變化規(guī)律規(guī)定流體靜力學(xué)(1)對流層標(biāo)準(zhǔn)大氣壓分布5..3(2)同溫層.式中,z=0~,p的單位為Pa式中,z=11000~,p的單位為Pa流體靜力學(xué)2.4非慣性座標(biāo)系中的靜止液體流體質(zhì)點(diǎn)隨特定座標(biāo)系一起運(yùn)動,質(zhì)點(diǎn)有加速度,非靜力學(xué)問題——仍可使用靜止流體平衡多項(xiàng)式和壓差公式。質(zhì)量力慣性力2.4.1等加速直線運(yùn)動中的相對靜止液體盛液容器以加速度a作直線運(yùn)動,液面與水平面呈角度θ,建座標(biāo)隨容器一起運(yùn)動,液體相對靜止。物體受與加速度相反方向的慣性力作用——質(zhì)量力質(zhì)量力與等壓面(與湖面呈θ角的平面族,實(shí)線)垂直,且tanθ=a/由壓差公式得:積分并帶入邊界條件x=0,axgz相對靜止液體和絕對靜止液體內(nèi)的任意一點(diǎn)浮力完全相同!【例】如圖,為了測定運(yùn)動物體的加速度,在運(yùn)動物體上裝一半徑為d的U形管,測得管中液面差h=0.05m,兩管的水平距離l=0.3m,求運(yùn)動物體的加速度a。流體靜力學(xué)代入壓差公式流體靜力學(xué)邊界條件10.059.8071.635m/s0.3帶入得:邊界條件流體靜力學(xué)2.4.2等角速率旋轉(zhuǎn)運(yùn)動中的相對靜止液體盛液容器以角速率作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),液體與容器之間處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。
取如圖所示柱座標(biāo)。流體靜力學(xué)代入邊界條件:r=0,所以——壓強(qiáng)分布在等壓面上,——等壓面多項(xiàng)式設(shè)自由表面的z座標(biāo)為z流體靜力學(xué)2.5靜止液體對平板的斥力平板AB,斜放于靜水液體中,自由表面為大氣壓。構(gòu)建如圖所示直角座標(biāo)系。陰影為AB的正視投影。2.5.1斥力的大小通常取相對浮力進(jìn)行估算。作用在微分面積dA上的壓力:sindF作用在整個面積A上的合力:sin