هیدرواستاتیک شاخه ای از هیدرولیک است که به مطالعه قوانین تعادل سیالات می پردازد و کاربرد عملی این قوانین را مد نظر قرار می دهد. برای درک هیدرواستاتیک باید مفاهیم و تعاریفی را تعریف کرد.

قانون پاسکال برای هیدرواستاتیک

در سال 1653، دانشمند فرانسوی B. Pascal قانونی را کشف کرد که معمولاً قانون اساسی هیدرواستاتیک نامیده می شود.

به نظر می رسد اینگونه است:

فشار روی سطح یک مایع که توسط نیروهای خارجی تولید می شود به طور یکسان در تمام جهات به مایع منتقل می شود.

اگر به ساختار مولکولی ماده نگاه کنید، قانون پاسکال به راحتی قابل درک است. در مایعات و گازها، مولکول ها دارای آزادی نسبی هستند، آنها بر خلاف مواد جامد قادر به حرکت نسبت به یکدیگر هستند. در جامدات، مولکول ها در شبکه های کریستالی جمع می شوند.

آزادی نسبی که مولکول های مایعات و گازها دارند باعث می شود فشار وارد شده بر مایع یا گاز نه تنها در جهت نیرو، بلکه در تمام جهات دیگر نیز منتقل شود.

قانون پاسکال برای هیدرواستاتیک به طور گسترده در صنعت استفاده می شود. کار اتوماسیون هیدرولیک که ماشین های CNC، ماشین ها و هواپیماها و بسیاری از ماشین های هیدرولیک دیگر را کنترل می کند، بر اساس این قانون است.

تعریف و فرمول فشار هیدرواستاتیک

از قانون پاسکال که در بالا توضیح داده شد چنین است که:

فشار هیدرواستاتیک فشاری است که به وسیله گرانش به سیال وارد می شود.

مقدار فشار هیدرواستاتیک به شکل ظرفی که مایع در آن قرار دارد بستگی ندارد و توسط محصول تعیین می شود.

P = ρgh، جایی که

ρ – چگالی سیال

g – شتاب سقوط آزاد

h – عمقی که فشار در آن تعیین می شود.

برای نشان دادن این فرمول، اجازه دهید به 3 رگ با اشکال مختلف نگاه کنیم.

در همه سه موردفشار مایع در کف ظرف یکسان است.

فشار کل مایع در ظرف برابر است با

P = P0 + ρgh، جایی که

P0 - فشار روی سطح مایع. در بیشتر موارد فرض می شود که برابر با فشار اتمسفر است.

نیروی فشار هیدرواستاتیک

اجازه دهید حجم معینی را در یک مایع در حالت تعادل انتخاب کنیم، سپس آن را با یک صفحه دلخواه AB به دو قسمت برش دهیم و یکی از این قسمت ها را به طور ذهنی دور بریزیم، مثلا قسمت بالایی را. در این حالت باید نیروهایی را به صفحه AB وارد کنیم که عمل آنها معادل عمل قسمت فوقانی دور ریخته شده حجم بر روی قسمت پایین باقیمانده آن خواهد بود.

اجازه دهید در صفحه مقطع AB یک کانتور بسته از ناحیه ΔF را در نظر بگیریم که شامل نقطه دلخواه a است. اجازه دهید نیروی ΔP روی این ناحیه وارد شود.

سپس فشار هیدرواستاتیک که فرمول آن به نظر می رسد

Рср = ΔP / ΔF

نشان‌دهنده نیروی وارد بر واحد سطح است، فشار هیدرواستاتیک متوسط ​​یا فشار فشار هیدرواستاتیک متوسط ​​روی سطح ΔF نامیده می‌شود.

فشار واقعی در نقاط مختلف این ناحیه ممکن است متفاوت باشد: در برخی نقاط ممکن است بیشتر باشد، در برخی دیگر ممکن است کمتر از میانگین فشار هیدرواستاتیک باشد. بدیهی است که در مورد کلیفشار متوسط ​​Рср هرچه با فشار واقعی در نقطه a کمتر متفاوت باشد، مساحت ΔF کوچکتر است و در حد فشار متوسط ​​با فشار واقعی در نقطه a منطبق خواهد شد.

برای سیالات در حالت تعادل، فشار هیدرواستاتیک سیال مشابه تنش فشاری در جامدات است.

واحد فشار SI نیوتن بر است متر مربع(N/m 2) - به آن پاسکال (Pa) می گویند. از آنجایی که مقدار پاسکال بسیار کوچک است، اغلب از واحدهای بزرگ شده استفاده می شود:

کیلونیوتون بر متر مربع - 1 کیلونیوتن بر متر مربع = 1*10 3 نیوتن بر متر مربع

مگان نیوتن در هر متر مربع - 1MN/m2 = 1*10 6 N/m2

فشاری معادل 1*10 5 نیوتن بر متر مربع را بار (بار) می گویند.

در یک سیستم فیزیکی، واحد فشار در هر سانتی متر مربع (dyne/m2) است. سیستم فنی– کیلوگرم نیروی بر متر مربع (kgf/m2). در عمل معمولاً فشار مایع را بر حسب کیلوگرم بر سانتی متر مربع اندازه گیری می کنند و فشاری معادل 1 کیلوگرم بر سانتی متر مربع را اتمسفر فنی (at) می گویند.

بین همه این واحدها رابطه زیر وجود دارد:

1at = 1 kgf/cm2 = 0.98 bar = 0.98 * 10 5 Pa = 0.98 * 10 6 dyne = 10 4 kgf/m2

باید به خاطر داشت که بین جو فنی (at) و جو فیزیکی (At) تفاوت وجود دارد. 1 در = 1.033 kgf/cm 2 و نشان دهنده فشار معمولیدر سطح دریا فشار اتمسفر به ارتفاع یک مکان از سطح دریا بستگی دارد.

اندازه گیری فشار هیدرواستاتیک

در عمل استفاده می کنند راه های مختلفبا در نظر گرفتن مقدار فشار هیدرواستاتیک اگر هنگام تعیین فشار هیدرواستاتیک، فشار اتمسفر وارد بر سطح آزاد مایع نیز در نظر گرفته شود، آن را کل یا مطلق می نامند. در این حالت، مقدار فشار معمولاً در اتمسفرهای فنی اندازه گیری می شود که مطلق (ata) نامیده می شود.

اغلب، هنگام در نظر گرفتن فشار، فشار اتمسفر روی سطح آزاد در نظر گرفته نمی شود و به اصطلاح فشار هیدرواستاتیک اضافی یا فشار گیج را تعیین می کند. فشار بالاتر از اتمسفر

فشار گیج به عنوان تفاوت بین فشار مطلق در یک مایع و فشار اتمسفر تعریف می شود.

Rman = Rabs – Ratm

و همچنین در جوهای فنی اندازه گیری می شوند که در این مورد مازاد نامیده می شود.

این اتفاق می افتد که فشار هیدرواستاتیک در یک مایع کمتر از اتمسفر است. در این مورد گفته می شود که مایع خلاء دارد. مقدار خلاء برابر با اختلاف فشار اتمسفر و فشار مطلق در مایع است.

رواک = راتم – رابس

و از صفر تا اتمسفر اندازه گیری می شود.

فشار آب هیدرواستاتیک دو ویژگی اصلی دارد:
در امتداد نرمال داخلی به ناحیه ای که روی آن عمل می کند هدایت می شود.
مقدار فشار در یک نقطه معین به جهت (یعنی به جهت در فضای سایتی که نقطه در آن قرار دارد) بستگی ندارد.

ویژگی اول نتیجه ساده این واقعیت است که در سیال در حال سکون هیچ نیروی مماسی و کششی وجود ندارد.

فرض کنید فشار هیدرواستاتیک در امتداد نرمال هدایت نمی شود، یعنی. عمود نیست، اما در زاویه ای نسبت به سایت. سپس می توان آن را به دو جزء - عادی و مماس تجزیه کرد. وجود یک جزء مماسی، به دلیل عدم وجود نیروهای مقاومت در برابر نیروهای برشی در سیال در حال سکون، به ناچار منجر به حرکت سیال در امتداد سکو می شود، یعنی. تعادل او را به هم می زند

بنابراین تنها جهت ممکنفشار هیدرواستاتیک جهت آن نرمال به محل است.

اگر فرض کنیم که فشار هیدرواستاتیک نه در امتداد داخلی، بلکه در امتداد نرمال خارجی هدایت می شود، یعنی. نه در داخل جسم مورد نظر، بلکه در خارج از آن، به دلیل اینکه مایع در برابر نیروهای کششی مقاومت نمی کند، ذرات مایع شروع به حرکت کرده و تعادل آن به هم می خورد.

در نتیجه، فشار هیدرواستاتیک آب همیشه در امتداد نرمال داخلی هدایت می شود و نشان دهنده فشار فشاری است.

از همین قانون نتیجه می‌شود که اگر فشار در نقطه‌ای تغییر کند، فشار در هر نقطه دیگر این مایع به همان میزان تغییر می‌کند. این قانون پاسکال است که به صورت زیر فرموله می شود: فشار وارد شده به مایع به داخل مایع در تمام جهات با نیروی مساوی منتقل می شود.

عملکرد ماشین هایی که تحت فشار هیدرواستاتیکی کار می کنند بر اساس اعمال این قانون است.

یکی دیگر از عوامل موثر بر مقدار فشار، ویسکوزیته مایع است که تا همین اواخر معمولاً نادیده گرفته می شد. با ظهور واحدهایی که در فشار بالا کار می کنند، ویسکوزیته نیز باید در نظر گرفته می شد. مشخص شد که وقتی فشار تغییر می کند، ویسکوزیته برخی از مایعات، مانند روغن ها، می تواند چندین بار تغییر کند. و این در حال حاضر امکان استفاده از چنین مایعاتی را به عنوان یک محیط کار تعیین می کند.

فشار است کمیت فیزیکی، که نقش ویژه ای در طبیعت و زندگی انسان دارد. این پدیده نامرئی نه تنها بر وضعیت تأثیر می گذارد محیط، اما همچنین به خوبی توسط همه احساس می شود. بیایید بفهمیم که چیست، چه انواعی وجود دارد و چگونه فشار (فرمول) را در محیط های مختلف پیدا کنیم.

فشار در فیزیک و شیمی چیست؟

این اصطلاح به یک کمیت مهم ترمودینامیکی اشاره دارد که در نسبت نیروی فشاری که به صورت عمود بر سطحی که بر روی آن اثر می‌کند، بیان می‌شود. این پدیده به اندازه سیستمی که در آن عمل می کند بستگی ندارد و بنابراین به مقادیر فشرده اشاره دارد.

در حالت تعادل، فشار برای تمام نقاط سیستم یکسان است.

در فیزیک و شیمی با حرف "P" نشان داده می شود که مخفف آن است. نام لاتیناصطلاح - pressūra.

اگر ما در مورددر مورد فشار اسمزی یک مایع (تعادل بین فشار داخل و خارج سلول) از حرف "P" استفاده می شود.

واحدهای فشار

طبق استانداردهای سیستم بین المللی SI، پدیده فیزیکی مورد نظر با پاسکال (سیریلیک - Pa، لاتین - Ra) اندازه گیری می شود.

بر اساس فرمول فشار، معلوم می شود که یک Pa برابر با یک N (نیوتن - تقسیم بر یک متر مربع (واحد مساحت) است.

با این حال، در عمل استفاده از پاسکال بسیار دشوار است، زیرا این واحد بسیار کوچک است. در این راستا، علاوه بر استانداردهای SI، می توان این کمیت را به صورت متفاوتی اندازه گیری کرد.

در زیر معروف ترین آنالوگ های آن است. بیشتر آنها به طور گسترده در اتحاد جماهیر شوروی سابق استفاده می شود.

• میله ها. یک نوار برابر با 105 Pa است.
• تورز یا میلی متر جیوه.تقریباً یک torr برابر با 133.3223684 Pa است.
• میلی متر ستون آب.
• متر ستون آب.
• جوهای فنی
• جوهای فیزیکییک اتمسفر برابر با 101325 Pa و 1.033233 اتمسفر است.
• کیلوگرم نیرو بر سانتی متر مربع.تن-فورس و نیروی گرم نیز متمایز می شوند. علاوه بر این، نیروی آنالوگ پوند در هر اینچ مربع وجود دارد.

فرمول کلی فشار (فیزیک پایه هفتم)

از تعریف یک کمیت فیزیکی معین، می توان روش یافتن آن را تعیین کرد. به نظر می رسد در عکس زیر است.

در آن F نیرو و S مساحت است. به عبارت دیگر، فرمول یافتن فشار، نیروی آن تقسیم بر سطحی است که بر روی آن اثر می کند.

همچنین می توان آن را به صورت زیر نوشت: P = mg / S یا P = pVg / S. بنابراین، این کمیت فیزیکی به سایر متغیرهای ترمودینامیکی مربوط می شود: حجم و جرم.

اصل زیر برای فشار اعمال می شود: از فضای کمتر، که تحت تأثیر زور است - که مقدار زیادیک نیروی فشار بر او وجود دارد. اگر مساحت افزایش یابد (با همان نیرو) - مقدار مورد نیازکاهش می دهد.

فرمول فشار هیدرواستاتیک

ناهمسان حالت های تجمعمواد، وجود خواص متفاوت از یکدیگر را فراهم می کنند. بر این اساس روش های تعیین P در آنها نیز متفاوت خواهد بود.

برای مثال، فرمول فشار آب (هیدرواستاتیک) به این صورت است: P = pgh. در مورد گازها نیز صدق می کند. با این حال، نمی توان از آن برای محاسبه استفاده کرد فشار جو، به دلیل اختلاف ارتفاع و تراکم هوا.

در این فرمول p چگالی، g شتاب ناشی از گرانش و h ارتفاع است. بر این اساس، هر چه جسم یا جسم در عمق بیشتری غوطه ور شود، فشار وارده بر آن در داخل مایع (گاز) بیشتر می شود.

گزینه مورد بررسی یک انطباق است نمونه کلاسیک P = F/S.

اگر به یاد داشته باشیم که نیرو برابر مشتق جرم با سرعت سقوط آزاد (F = میلی گرم) و جرم مایع مشتق حجم بر حسب چگالی (m = pV) است، فشار فرمول می تواند باشد. به صورت P = pVg / S نوشته می شود. در این مورد، حجم ضرب در ارتفاع (V = Sh) است.

اگر این داده ها را وارد کنیم، معلوم می شود که مساحت در صورت و مخرج را می توان در خروجی کاهش داد - فرمول بالا: P = pgh.

هنگام در نظر گرفتن فشار در مایعات، شایان ذکر است که بر خلاف جامدات، انحنای لایه سطحی اغلب در آنها امکان پذیر است. و این به نوبه خود به شکل گیری فشار اضافی کمک می کند.

برای چنین شرایطی، یک فرمول فشار کمی متفاوت استفاده می شود: P = P 0 + 2QH. که در در این مورد P 0 فشار لایه غیر منحنی و Q سطح کشش مایع است. H میانگین انحنای سطح است که طبق قانون لاپلاس تعیین می شود: H = ½ (1/R 1 + 1/R 2). اجزای R 1 و R 2 شعاع انحنای اصلی هستند.

فشار جزئی و فرمول آن

اگرچه روش P = pgh هم برای مایعات و هم برای گازها قابل استفاده است، اما بهتر است فشار در دومی را به روشی کمی متفاوت محاسبه کنیم.

واقعیت این است که در طبیعت، به عنوان یک قاعده، مواد کاملاً خالص اغلب یافت نمی شوند، زیرا مخلوط ها در آن غالب هستند. و این نه تنها در مورد مایعات، بلکه در مورد گازها نیز صدق می کند. و همانطور که می دانید هر یک از این اجزاء فشار متفاوتی به نام جزئی وارد می کنند.

تعریف آن بسیار آسان است. برابر است با مجموع فشار هر جزء از مخلوط مورد نظر (گاز ایده آل).

از این نتیجه می شود که فرمول فشار جزئی به این صورت است: P = P 1 + P 2 + P 3 ... و به همین ترتیب، با توجه به تعداد اجزای تشکیل دهنده.

اغلب مواردی وجود دارد که لازم است فشار هوا تعیین شود. با این حال، برخی از افراد به اشتباه محاسبات را فقط با اکسیژن طبق طرح P = pgh انجام می دهند. اما هوا مخلوطی از گازهای مختلف است. حاوی نیتروژن، آرگون، اکسیژن و سایر مواد است. بر اساس شرایط فعلی، فرمول فشار هوا مجموع فشارهای تمام اجزای آن است. این بدان معنی است که ما باید P = P 1 + P 2 + P 3 فوق را بگیریم ...

رایج ترین ابزار برای اندازه گیری فشار

علیرغم این واقعیت که محاسبه کمیت ترمودینامیکی مورد نظر با استفاده از فرمول های ذکر شده در بالا دشوار نیست، گاهی اوقات زمانی برای انجام محاسبه وجود ندارد. پس از همه، شما همیشه باید تفاوت های ظریف متعدد را در نظر بگیرید. بنابراین، برای راحتی، طی چندین قرن تعدادی دستگاه ساخته شده است که این کار را به جای افراد انجام می دهند.

در واقع، تقریباً تمام دستگاه‌های این نوع، نوعی فشارسنج هستند (به تعیین فشار در گازها و مایعات کمک می‌کند). با این حال، آنها در طراحی، دقت و دامنه کاربرد متفاوت هستند.

• فشار اتمسفر با استفاده از فشار سنج به نام فشارسنج اندازه گیری می شود. در صورت نیاز به تعیین خلاء (یعنی فشار زیر اتمسفر) از نوع دیگری از آن استفاده می شود که گیج خلاء است.
• به منظور کشف فشار شریانیدر انسان، در پیشرفت در حال انجام استفشارسنج. برای اکثر مردم بیشتر به عنوان فشارسنج غیر تهاجمی شناخته شده است. انواع مختلفی از این دستگاه ها وجود دارد: از مکانیکی جیوه ای تا دیجیتال تمام اتوماتیک. دقت آنها به موادی که از آنها ساخته شده اند و محل اندازه گیری بستگی دارد.
• افت فشار در محیط (به انگلیسی - افت فشار) با استفاده از فشارسنج های دیفرانسیل تعیین می شود (با دینامومتر اشتباه نشود).

انواع فشار

با در نظر گرفتن فشار، فرمول یافتن آن و تغییرات آن برای مواد مختلف، ارزش یادگیری در مورد انواع این ارزش را دارد. پنج نفر از آنها وجود دارد.

• مطلق.
• بارومتریک
• بیش از اندازه.
• متریک خلاء
• دیفرانسیل.

مطلق

این نام کل فشاری است که یک ماده یا جسم تحت آن قرار دارد، بدون در نظر گرفتن تأثیر سایر اجزای گازی جو.

با پاسکال اندازه گیری می شود و مجموع فشار اضافی و اتمسفر است. همچنین تفاوت بین انواع فشار سنجی و خلاء است.

با استفاده از فرمول P = P 2 + P 3 یا P = P 2 - P 4 محاسبه می شود.

نقطه شروع فشار مطلق در شرایط سیاره زمین، فشار داخل ظرفی است که هوا از آن خارج شده است (یعنی یک خلاء کلاسیک).

در اکثر فرمول های ترمودینامیکی فقط از این نوع فشار استفاده می شود.

بارومتریک

این اصطلاح به فشار جو (گرانش) بر تمام اجسام و اجسام موجود در آن، از جمله سطح خود زمین اشاره دارد. بیشتر مردم آن را به عنوان جوی نیز می شناسند.

به عنوان یک طبقه بندی می شود و مقدار آن بسته به مکان و زمان اندازه گیری و همچنین شرایط آب و هوایی و موقعیت بالای / زیر سطح دریا متفاوت است.

بزرگی فشار بارومتریک برابر با مدول نیروی اتمسفر در سطح یک واحد نرمال با آن است.

در یک جو پایدار، بزرگی این پدیده فیزیکی برابر است با وزن یک ستون هوا بر روی یک پایه با مساحت برابر با یک.

فشار هوای طبیعی 101325 Pa (760 میلی متر جیوه در 0 درجه سانتیگراد) است. علاوه بر این، هر چه جسم از سطح زمین بالاتر باشد، فشار هوا روی آن کاهش می یابد. هر 8 کیلومتر 100 پاسکال کاهش می یابد.

به لطف این خاصیت، آب در کتری ها در کوهستان بسیار سریعتر از اجاق گاز در خانه می جوشد. واقعیت این است که فشار بر نقطه جوش تأثیر می گذارد: با کاهش آن، دومی کاهش می یابد. و بالعکس. کار از این قبیل وسایل اشپزخانهمانند زودپز و اتوکلاو. افزایش فشار داخل آنها به شکل گیری بیشتر کمک می کند دمای بالانسبت به تابه های معمولی روی اجاق گاز.

برای محاسبه فشار اتمسفر از فرمول ارتفاع هوا استفاده می شود. به نظر می رسد در عکس زیر است.

P مقدار مورد نظر در ارتفاع، P 0 چگالی هوا در نزدیکی سطح، g شتاب سقوط آزاد، h ارتفاع بالای زمین است، m - جرم مولیگاز، t دمای سیستم، r ثابت گاز جهانی 8.3144598 J⁄(mol x K)، و e عدد آیشلر برابر با 2.71828 است.

اغلب در فرمول بالا برای فشار اتمسفر، ثابت K - بولتزمن به جای R استفاده می شود. ثابت گاز جهانی اغلب از طریق حاصل ضرب آن با عدد آووگادرو بیان می شود. هنگامی که تعداد ذرات بر حسب مول داده می شود، برای محاسبات راحت تر است.

هنگام انجام محاسبات، همیشه باید احتمال تغییر دمای هوا به دلیل تغییر وضعیت هواشناسی یا هنگام افزایش ارتفاع از سطح دریا و همچنین عرض جغرافیایی را در نظر بگیرید.

گیج و وکیوم

تفاوت فشار اتمسفر و فشار محیط اندازه گیری شده را فشار اضافی می گویند. بسته به نتیجه، نام کمیت تغییر می کند.

اگر مثبت باشد به آن فشار گیج می گویند.

اگر نتیجه به دست آمده دارای علامت منفی باشد به آن خلاء می گویند. شایان ذکر است که نمی تواند بیشتر از بارومتریک باشد.

دیفرانسیل

این مقدار اختلاف فشار در نقاط مختلف اندازه گیری است. به عنوان یک قاعده، برای تعیین افت فشار روی هر تجهیزات استفاده می شود. این امر به ویژه در صنعت نفت صادق است.

با فهمیدن اینکه چه نوع کمیت ترمودینامیکی فشار نامیده می شود و با چه فرمول هایی یافت می شود، می توان نتیجه گرفت که این پدیده بسیار مهم است و بنابراین دانش در مورد آن هرگز اضافی نخواهد بود.

ماشین حساب زیر برای محاسبه یک مقدار ناشناخته از مقادیر داده شده با استفاده از فرمول فشار یک ستون مایع طراحی شده است.
خود فرمول:

ماشین حساب به شما امکان می دهد پیدا کنید

• فشار ستون مایع بر اساس چگالی شناخته شده مایع، ارتفاع ستون مایع و شتاب گرانش
• ارتفاع یک ستون مایع بر اساس فشار مایع شناخته شده، چگالی مایع و شتاب گرانشی
• چگالی مایع بر اساس فشار مایع شناخته شده، ارتفاع ستون مایع و شتاب گرانشی
• شتاب گرانشی بر اساس فشار سیال شناخته شده، چگالی سیال و ارتفاع ستون سیال

استخراج فرمول برای همه موارد بی اهمیت است. برای چگالی، مقدار پیش فرض چگالی آب، برای شتاب گرانش - شتاب زمین، و برای فشار - مقداری برابر با یک اتمسفر فشار است. یک تئوری کوچک، طبق معمول، زیر ماشین حساب.

چگالی فشار شتاب ارتفاع گرانش

فشار در مایع، Pa

ارتفاع ستون مایع، متر

چگالی مایع، کیلوگرم بر متر مکعب

شتاب گرانش، m/s2

فشار هیدرواستاتیک- فشار ستون آب بالاتر از سطح معمولی.

فرمول فشار هیدرواستاتیک به سادگی بدست می آید

از این فرمول مشخص است که فشار به مساحت ظرف یا شکل آن بستگی ندارد. این فقط به چگالی و ارتفاع ستون یک مایع خاص بستگی دارد. که از آن نتیجه می شود که با افزایش ارتفاع کشتی، می توانیم کاملا ایجاد کنیم فشار بالا.
بلز پاسکال این را در سال 1648 نشان داد. او یک لوله باریک را داخل یک بشکه دربسته پر از آب فرو کرد و با بالا رفتن از بالکن طبقه دوم، یک لیوان آب در این لوله ریخت. به دلیل ضخامت کم لوله، آب داخل آن تا ارتفاع زیادی بالا رفت و فشار داخل بشکه به قدری افزایش یافت که بست های لوله تحمل آن را نداشت و ترک خورد.

این نیز منجر به پدیده پارادوکس هیدرواستاتیک می شود.

پارادوکس هیدرواستاتیک- پدیده ای که در آن نیروی فشار وزن مایع ریخته شده به ظرفی در انتهای ظرف ممکن است با وزن مایع ریخته شده متفاوت باشد. در عروق با افزایش رو به بالا سطح مقطعنیروی فشار در کف ظرف وزن کمترمایع، در ظروف با سطح مقطع رو به بالا، نیروی فشار بر کف ظرف بیشتر از وزن مایع است. نیروی فشار مایع بر کف ظرف تنها برای یک ظرف استوانه ای با وزن مایع برابر است.

در تصویر بالا فشار ته ظرف در همه موارد یکسان است و به وزن مایع ریخته شده بستگی ندارد و فقط به سطح آن بستگی دارد. دلیل پارادوکس هیدرواستاتیک این است که مایع نه تنها به پایین، بلکه بر روی دیواره های رگ فشار می آورد. فشار سیال بر روی دیوارهای شیبدار دارای یک جزء عمودی است. در ظرفی که به سمت بالا منبسط می شود، به سمت پایین هدایت می شود، در ظرفی که به سمت بالا باریک می شود، به سمت بالا هدایت می شود. وزن مایع در ظرف برابر با مجموع اجزای عمودی فشار مایع در کل منطقه داخلی ظرف خواهد بود.

مایعات و گازها نه تنها فشار خارجی وارد شده به خود، بلکه فشاری را که در داخل آنها به دلیل وزن قطعات خود وجود دارد را در همه جهات منتقل می کنند. لایه‌های بالایی مایع روی لایه‌های میانی، لایه‌های پایینی و لایه‌های دوم در پایین فشار می‌آورند.

فشار وارد شده توسط یک سیال در حالت سکون نامیده می شود هیدرواستاتیک.

اجازه دهید فرمولی برای محاسبه فشار هیدرواستاتیک یک مایع در عمق دلخواه h (در مجاورت نقطه A در شکل 98) بدست آوریم. نیروی فشاری که در این مکان از ستون عمودی باریک پوشاننده مایع اعمال می شود را می توان به دو صورت بیان کرد:
اولاً به عنوان حاصل ضرب فشار در پایه این ستون و سطح مقطع آن:

F = pS ;

ثانیاً، به عنوان وزن همان ستون مایع، یعنی حاصلضرب جرم مایع (که با فرمول m = ρV، که حجم V = Sh) و شتاب گرانش g پیدا می شود:

F = mg = ρShg.

اجازه دهید هر دو عبارت را برای نیروی فشار برابر کنیم:

pS = ρShg.

با تقسیم هر دو طرف این برابری بر مساحت S، فشار سیال را در عمق h پیدا می کنیم:

p = ρgh. (37.1)

گرفتیم فرمول فشار هیدرواستاتیک. فشار هیدرواستاتیک در هر عمقی در داخل مایع به شکل ظرفی که مایع در آن قرار دارد بستگی ندارد و برابر است با حاصل ضرب چگالی مایع، شتاب گرانش و عمقی که در آن فشار در نظر گرفته می شود.

مقدار یکسان آب با قرار گرفتن در ظروف مختلف، می تواند فشارهای متفاوتی را به کف وارد کند. از آنجایی که این فشار به ارتفاع ستون مایع بستگی دارد، در مخازن باریک بیشتر از مخازن پهن خواهد بود. به لطف این، حتی مقدار کمی آب می تواند فشار بسیار بالایی ایجاد کند. در سال 1648، این به طور بسیار قانع کننده ای توسط B. Pascal نشان داده شد. لوله باریکی را داخل بشکه ای دربسته پر از آب فرو کرد و با بالا رفتن از بالکن طبقه دوم خانه، یک لیوان آب در این لوله ریخت. به دلیل ضخامت کم لوله، آب داخل آن تا ارتفاع زیادی بالا رفت و فشار در بشکه به قدری افزایش یافت که بست های لوله نتوانست آن را تحمل کند و ترک خورد (شکل 99).
نتایجی که ما به دست آوردیم نه تنها برای مایعات، بلکه برای گازها نیز معتبر است. لایه های آنها نیز به یکدیگر فشار می آورند و بنابراین فشار هیدرواستاتیکی نیز در آنها وجود دارد.

1. به چه فشاری هیدرواستاتیک می گویند؟ 2. این فشار به چه مقادیری بستگی دارد؟ 3. فرمول فشار هیدرواستاتیک را در یک عمق دلخواه استخراج کنید. 4. چگونه می توان با مقدار کمی آب فشار زیادی ایجاد کرد؟ از تجربه پاسکال برایمان بگویید.
کار آزمایشییک ظرف بلند بردارید و سه تا در دیواره آن بسازید سوراخ های کوچکبر ارتفاعات مختلف. سوراخ ها را با پلاستیک بپوشانید و ظرف را با آب پر کنید. سوراخ ها را باز کنید و جریان های آب را تماشا کنید (شکل 100). چرا آب از سوراخ ها به بیرون نشت می کند؟ افزایش فشار آب با افزایش عمق به چه معناست؟

به نظر می رسد لوله کشی دلیل زیادی برای کاوش در جنگل فناوری ها، مکانیسم ها یا شرکت در محاسبات دقیق برای ساخت و ساز ندارد. پیچیده ترین طرح ها. اما چنین بینشی، نگاهی سطحی به لوله کشی است. صنعت لوله کشی واقعی به هیچ وجه از نظر پیچیدگی کمتر از فرآیندها نیست و مانند بسیاری از صنایع دیگر نیاز به یک رویکرد حرفه ای دارد. به نوبه خود، حرفه ای بودن ذخیره محکمی از دانش است که لوله کشی بر آن استوار است. بیایید (البته نه خیلی عمیق) در جریان آموزش لوله کشی شیرجه بزنیم تا یک قدم به وضعیت حرفه ای یک لوله کش نزدیک شویم.

اساس اساسی هیدرولیک مدرن زمانی شکل گرفت که بلز پاسکال کشف کرد که عمل فشار سیال در هر جهت ثابت است. عمل فشار مایع در زوایای قائم به سطح هدایت می شود.

اگر یک دستگاه اندازه گیری (فشار سنج) در زیر لایه ای از مایع در عمق معین قرار گیرد و عنصر حساس آن در جهات مختلف هدایت شود، قرائت فشار در هر موقعیتی از فشارسنج بدون تغییر باقی می ماند.

یعنی فشار سیال به هیچ وجه به تغییر جهت بستگی ندارد. اما فشار سیال در هر سطح به پارامتر عمق بستگی دارد. اگر فشارسنج به سطح مایع نزدیکتر شود، میزان قرائت کاهش می یابد.

بر این اساس، هنگام غواصی، قرائت اندازه گیری شده افزایش می یابد. علاوه بر این، در شرایط دو برابر شدن عمق، پارامتر فشار نیز دو برابر خواهد شد.

قانون پاسکال به وضوح تأثیر فشار آب را در آشناترین شرایط زندگی مدرن نشان می دهد.

بنابراین، هر زمان که سرعت حرکت یک سیال تنظیم شود، بخشی از فشار استاتیک اولیه آن برای سازماندهی این سرعت استفاده می شود که متعاقباً به عنوان سرعت فشار وجود دارد.

حجم و سرعت جریان

حجم مایع عبوری از یک نقطه معین در زمان مشخص شده، به عنوان حجم جریان یا نرخ جریان در نظر گرفته می شود. حجم جریان معمولاً بر حسب لیتر در دقیقه (L/min) بیان می شود و به فشار نسبی سیال مربوط می شود. به عنوان مثال، 10 لیتر در دقیقه در 2.7 اتمسفر.

سرعت جریان (سرعت سیال) به عنوان سرعت متوسطی که در آن یک سیال از یک نقطه معین عبور می کند تعریف می شود. معمولاً بر حسب متر بر ثانیه (m/s) یا متر در دقیقه (m/min) بیان می‌شود. نرخ جریان است عامل مهمهنگام کالیبراسیون خطوط هیدرولیک

حجم و سرعت جریان اغلب به طور همزمان در نظر گرفته می شوند. همه چیزهای دیگر برابر هستند (با فرض ثابت ماندن حجم ورودی)، با کاهش سطح مقطع یا اندازه لوله، سرعت جریان افزایش می‌یابد و با افزایش سطح مقطع، سرعت جریان کاهش می‌یابد.

بنابراین، کاهش سرعت جریان در قسمت های وسیع خطوط لوله مشاهده می شود و در مکان های باریک، برعکس، سرعت افزایش می یابد. در عین حال، حجم آب عبوری از هر یک از این نقاط کنترل بدون تغییر باقی می ماند.

اصل برنولی

اصل معروف برنولی مبتنی بر این منطق است که افزایش (افت) فشار سیال همیشه با کاهش (افزایش) سرعت همراه است. برعکس، افزایش (کاهش) در سرعت سیال منجر به کاهش (افزایش) فشار می شود.

این اصل زیربنای تعدادی از پدیده های رایج لوله کشی است. به عنوان یک مثال بی اهمیت، اصل برنولی مسئول این است که وقتی کاربر آب را روشن می کند، پرده حمام به سمت داخل جمع شود.

اختلاف فشار بین بیرون و داخل باعث ایجاد نیرو بر روی پرده دوش می شود. با این تلاش نیرومند، پرده به سمت داخل کشیده می شود.

مثال واضح دیگر یک شیشه عطر با نازل اسپری است، زمانی که یک منطقه ایجاد می شود فشار کمبه دلیل سرعت زیاد هوا و هوا مایع را با خود حمل می کند.

اصل برنولی همچنین نشان می دهد که چرا پنجره های خانه به طور خود به خود در طول طوفان شکسته می شوند. در چنین مواردی، سرعت بسیار بالای هوا در خارج از پنجره منجر به این واقعیت می شود که فشار بیرون بسیار کمتر از فشار داخل می شود، جایی که هوا عملاً بی حرکت می ماند.

تفاوت قابل توجه در نیرو به سادگی پنجره ها را به بیرون هل می دهد و باعث شکستن شیشه می شود. بنابراین هنگامی که یک طوفان بزرگ نزدیک می شود، اساساً می خواهید پنجره ها را تا حد امکان باز کنید تا فشار داخل و خارج ساختمان یکسان شود.

و چند مثال دیگر زمانی که اصل برنولی عمل می کند: ظهور یک هواپیما با پرواز بعدی به دلیل بال ها و حرکت "توپ های منحنی" در بیسبال.

در هر دو حالت، تفاوتی در سرعت عبور هوا از بالا و پایین از روی جسم ایجاد می شود. برای بال های هواپیما، تفاوت در سرعت با حرکت فلپ ها در بیس بال ایجاد می شود، این وجود یک لبه موج دار است.

تمرین لوله کش خانه