Давление в движущейся жидкости

В текущей жидкости различают статическое давление и динамическое давление. Причиной статического давления, как и в случае неподвижной жидкости, является сжатие жидкости. Статическое давление проявляется в напоре на стенку трубы, по которой течёт жидкость.

 

Динамическое давление обусловливается скоростью течения жидкости. Чтобы обнаружить это давление, надо затормозить жидкость, и тогда оно, как и статическое давление, проявится в виде напора.

 

Сумма статического и динамического давлений называется полным давлением.

 

В покоящейся жидкости динамическое давление равно нулю, следовательно, статическое давление равно полному давлению и может быть измерено любым манометром.

 

Измерение давления в движущейся жидкости сопряжено с целым рядом трудностей. Дело в том, что манометр, погружённый в движущуюся жидкость, изменяет скорость движения жидкости в том месте, где он находится. При этом, конечно, изменяется и величина измеряемого давления. Чтобы манометр, погружённый в жидкость, совсем не изменял скорости жидкости, он должен двигаться вместе с жидкостью. Однако измерять таким путём давление внутри жидкости крайне неудобно. Это затруднение обходят, придавая трубке, соединённой с манометром, обтекаемую форму, при которой она почти не изменяет скорости движения жидкости. Практически для измерения давлений внутри движущейся жидкости или газа применяют узкие манометрические трубки.

 

Статическое давление измеряется с помощью манометрической трубки, плоскость отверстия которой расположена параллельно линиям тока. Если жидкость в трубе находится под давлением, то в манометрической трубке жидкость поднимается на некоторую высоту, соответствующую статическому давлению в данном месте трубы.

 

Полное давление измеряют трубкой, плоскость отверстия которой расположена перпендикулярно линиям тока. Такой прибор называется трубкой Пито. Попав в отверстие трубки Пито, жидкость останавливается. Высота столба жидкости (h_полн) в манометрической трубке будет соответствовать полному давлению жидкости в данном месте трубы.

 

В дальнейшем нас будет интересовать только статическое давление, которое мы будем называть просто давлением внутри движущейся жидкости или газа.?

 

Если измерить статическое давление в движущейся жидкости в различных частях трубы переменного сечения, то окажется, что в узкой части трубы оно меньше, чем в широкой её части.

 

Но скорости течения жидкости обратно пропорциональны площадям сечения трубы; следовательно, давление в движущейся жидкости зависит от скорости её течения.

 

В местах, где жидкость движется быстрее (узкие места трубы), давление меньше, чем там, где эта жидкость движется медленнее (широкие места трубы).

 

Этот факт можно объяснить на основе общих законов механики.

 

Допустим, что жидкость переходит из широкой части трубки в узкую. При этом частицы жидкости увеличивают скорости, т. е. движутся с ускорениями в направлении движения. Пренебрегая трением, на основе второго закона Ньютона можно утверждать, что равнодействующая сил, действующих на каждую частицу жидкости, также направлена в сторону движения жидкости. Но эта равнодействующая сила создаётся силами давления, которые действуют на каждую данную частицу со стороны окружающих её частиц жидкости, и направлена вперёд, по направлению движения жидкости. Значит, сзади на частицу действует большее давление, чем спереди. Следовательно, как показывает и опыт, давление в широкой части трубки больше, чем в узкой.

 

Если жидкость течёт из узкой в широкую часть трубки, то, очевидно, в этом случае частицы жидкости тормозятся. Равнодействующая сил, действующих на каждую частицу жидкости со стороны окружающих её частиц, направлена в сторону, противоположную движению. Эта равнодействующая определяется разностью давлений в узком и широком каналах. Следовательно, частица жидкости, переходя из узкой в широкую часть трубки, движется из мест с меньшим давлением в места с большим давлением.

 

Итак, при стационарном движении в местах сужения каналов давление жидкости понижено, в местах расширения – повышено.

 

Скорости течения жидкости принято изображать густотой расположения линий тока. Поэтому в тех частях стационарного потока жидкости, где давление меньше, линии тока должны быть расположены гуще, и, наоборот, где давление больше, линии тока расположены реже. То же относится и к изображению потока газа.