Физические характеристики и свойства жидкостей

Современная гидравлика состоит из двух разделов: гидростатики и гидродинамики. Рабочим телом в гидравлике является жидкость, которая представляет собой непрерывную среду, обладающую свойством текучести и почти полным отсутствием сопротивления разрыву. По степени сжимаемости жидкости подразделяются на капельные и газообразные. Капельные жидкости практически несжимаемые, к ним относятся: вода, нефть, масла, спирт и т.п. Газообразные жидкости (газы) обладают свойством сжимаемости, которое проявляется при действии на них внешних сил. Характерным отличием этих жидкостей является наличие у капельных жидкостей свободной поверхности, а газы распространяются по всему предоставленному им объёму.
Важнейшими физическими характеристиками жидкости являются её плотность и удельный вес. Плотность обозначается  и представляет собой отношение массы жидкости к её объёму:
 = ,
где М – масса, кг;
V - объём, м3..
Для сравнения приведены значения плотностей часто встречающихся жидкостей и твёрдых тел в системе единиц СИ при нормальных условиях.
1. Вода……………………………………………………………1000 кг/м3
2. Минеральное смазочное масло…………………………....... 900 кг/м3
3. Ртуть…………………………………………………………13 600 кг/м3
4. Сталь………………………………………………………… 8 000 кг/м3
5. Чугун………………………………………………………… 7 000 кг/м3
В практических расчётах иногда вместо плотности используется удельный вес , который равен отношению веса жидкости к её объёму:

Отметим, что удельный вес - величина векторная и не является параметром состояния вещества в отличие от плотности, так как он зависит от ускорения свободного падения q в пункте определения, т.е. Между удельным весом и плотностью существует простая зависимость r q.

Важным физическим свойством жидкости, определяющим её способность к истечению, является вязкость. Вязкость жидкости – это её свойство оказывать сопротивление относительному движению её частиц [1]. В зависимости от вязкости жидкости в гидравлике принято условно делить на реальные и идеальные. Для описания закономерностей движения идеальной жидкости, в которой отсутствуют силы сцепления и трения между её структурными частицами, используются более простые математические зависимости.
Количественно вязкость жидкости, как её способность к истечению характеризуется коэффициентами динамической вязкости и кинематической вязкости .
Коэффициент динамической вязкости – это сила внутреннего трения, которая приходится на единицу поверхности соприкосновения двух движущихся слоёв жидкости при градиенте скорости равном единице, т.е.:
Па∙с, (2.1)
где: Т – сила внутреннего трения, Н;
- поверхность соприкасающихся слоёв, м2;
- градиент скорости на единицу длины, 1/с. (рис. *...)
Значение коэффициента часто выражают в пуазах (П) с учётом, что
0,1 = 1П.
При выводе уравнений гидродинамики иногда вместо коэффициента динамической вязкости используют коэффициент кинематической вязкости, который представляет собой вязкость, приведённую к плотности жидкости, определяется из выражения (1.2):
м2/с (2.2)
В гидравлических расчётах более удобно использовать коэффициент кинематической вязкости и выражать его не в м2/с, а в более мелких единицах – стоксах (СT) с учётом того, что 1СT = 10-4 м2/с.
Отметим, что при повышении температуры вязкость несжимаемых жидкостей уменьшается.
Например, для воды при 15°С: = а при 20°С
= , т.е. уменьшается на 14%.
Одной из основных характеристик жидкости, отличающей её от твёрдых тел, является гидростатическое давление. Известно, что в статике при взаимодействии поверхностных и массовых сил в жидкости возникают внутренние силы, вызывающие напряжение внутри жидкости, аналогичное напряжению в твёрдых телах при действии на них внешних сил.
С физической точки зрения гидростатическое давление, как и давление твёрдого тела, представляет собой отношение силы к площади сечения, на которой эти силы действуют, т.е.
** Сила гидростатического давления см. рис.1 ↑.
рcp = , Па, (2.3)
где рcp – среднее гидростатическое давление,
Па = ,
Наряду со средним гидростатическим давлением, в гидравлике существует понятие давление в точке р: * (см. рис. 2 ↑)
р = , (2.4)
где - элементарная сила, Н;
- элементарная площадь, м2.
Однако, свойства гидростатического давления несколько отличаются от давления твёрдого тела. К числу таких свойств относятся:
-гидростатическое давление всегда действует по внутренней нормали, направленной к площадке действия;
- гидростатическое давление не зависит от ориентации, или угла наклона площадки действия и в различных направлениях одинаково по величине;
- гидростатическое давление зависит от координаты точки в пространстве, т.е. в статике оно зависит от глубины погружения.
Связь между различными видами давлений устанавливается на основе приведённого дифференциального уравнения Эйлера, представляющего собой полный дифференциал давления [2]:
dp = ρ (ax dx + ay dy + az dz), (2.5)
где ρ - плотность жидкости, кг/м3;
ax,,ay,az - проекции ускорений на оси координат;
dx, dy,dz – приращения по осям координат, м.
В статике, когда в жидкости вертикально вниз действует только сила тяжести, имеем:
dx = 0 и dy = 0. (см. рис.**) Тогда после интегрирования выражения (1.5) получим основное уравнение гидростатики (1.6):
(2.6)
где p – абсолютное давление;
- избыточное давление; (* размерность…)
рo - атмосферное давление.
(Интегрирование ур-я 2.5.***…….)
Заметим, что после интегрирования уравнения (1.5) произведена замена: = q – ускорение свободного падения, z = h - глубина погружения. Из основного уравнения гидростатики (1.6) следует, что абсолютное давление жидкости в точке определяется глубиной погружения h и внешним давлением Po.