Гидродинамика знакомая и незнакомая

Гидродинамика знакомая и незнакомая » Мир книг-скачать книги бесплатно

гидродинамика знакомая и незнакомая

Название: Гидродинамика знакомая и незнакомаяАвтор: Меркулов В.И. Издательство: М.: НаукаISBN: Год: Формат. Гидродинамика знакомая и незнакомая, Владимир Меркулов, В популярной форме излагаются основные законы гидродинамики - науки о движении. В году в книжном магазине я увидел уже родное название « Гидродинамика знакомая и незнакомая» В.И.Меркулова, сразу купил и.

А это, поверьте, дорогого стоит! Я не думаю, что прочтение этой книги стало для меня судьбоносным, но с года и по сей день я занимаюсь профессионально гидромеханикой и в этом проекте буду писать обо всём что связано с этой замечательной наукой и делится своими профессиональными наработками. Выражаю глубочайшую благодарность Владимиру Ивановичу Меркулову, его родным и близким за его удивительный труд.

Несколько слов о терминологии. Механика — наука, изучающая перемещение и равновесие материальных тел под действием различных сил. Гидромеханика — это наука о законах механического движения жидкостей и разработке методов использования этих законов для решения прикладных задач.

Это позволяет описать механическое движение всех упомянутых сред едиными дифференциальными уравнениями, составляющими основу механики сплошной среды. Исторически сложилась в самостоятельную дисциплину одна ветвь технической гидромеханики, получившая название гидравлики.

Её спецификой является широкое применение упрощённых и эмпирических методов решения практических задач главным образом одномерныхудобных для использования в инженерной практике.

В настоящее время различие между гидравликой и технической или прикладной гидромеханикой исчезает в связи с применением численных методов и компьютерного анализа. Теперь, по-видимому, можно констатировать, что современная гидравлика представляет собой техническую механику жидкости, прочно опирающуюся на теоретический фундамент классической гидромеханики.

Գրականություն

Чтобы 11учШе понять законы гидростатики, проделайте следующий опыт. Налейте в стакан воды до самого верха. Накройте его бумагой и, придерживая бумд: После этого отпустите руку. Вода останется в стакане так же, как если бы она опиралась на дно. Этот опыт легко объяснить, 1 используя уравнение 2. Перепишем его следующим образом: Проанализировав уравнение, можно заключить, что давление в воде будет уменьшаться при увеличении z.

Однако, если вес столба воды QgZ меньше атмосферного меньшим положительным, атмосферного. Эти силы и удерживают воду в опрокинутом стакане. Из этого расчета, например, следует, что качать воду из колодца глубиной больше 1 О м можно толь КQ расположенным в колодце насосом. Возвратимся к формуле 3. Если мы применим ее к жидкос;ги большей, чем вода, плотности, то величина z окажется меньше. Благодаря малой высоте столба, на которую поднимается ртуть, с ней легко проводить опыты по изучению атмосферного давления.

Для этого поступают следующим образом. Высота ртутного столба в стеклянной трубке показывает атмосферное давление в привычных единицах - миллиметрах. Из уравнения 3 можно получить и закон Архимеда, и закон Паскаля. Казалось бы, что из соображений дешевизны следует применять именно воду. Да и названию машины это больше соответствует.

Последнее свойство проявляется только в том случае, если щель достаточно мала. Поэтому сопрягаемые части машин обрабатывают очень точно, с высоким классом чистоты поверхности. Читатель, наверное, видел на улицах города машину с телескопиче9ким механизмом, предназначенным для подъема корзины с человеком. Вложенные друг в друга стальные трубы устанавливаются вертикально.

После этого насос начинает качать масло в нижнюю часть этих труб, и трубы одна за другой поднимаются вверх. К самой верхней и самой тонкой прикреплена корзина, в которой находится человек. Вот бы так же взять несколько железобетонных труб, вложить их друг в друга, поставить вертикально и качать внутрь жидкость, пока трубы не поднимутся вверх на небывалую высоту.

Вложенные друг в друга, они образуют такой зазор, что все масло вытечет через эти щели. А почему, собственно, мы обя: Нельзя ли применить другую жидкость, которая будет просачиваться через щели между трубами достаточно медленно, чтобы насосы успевали ее накачивать. Понятно, 9 10 что эта жидкость должна обла- дать большой вязкостью, такой, например, как смола.

В этом случае мы сталкиваемся с другой трудностью. Каким насосом качать смму? Итак, нужна жидкость, которая обладала бы малой вязкостью в насосе и большой - в зазоре между трубами. Здесь весьма уместно вспомнить о некоторых глинистых растворах, которые обладают свойством так называемой тиксотропии. Эти растворы при перемешивании обладают очень малой вязкостью, а в неподвижном. Такие глинистые растворы в настоящее время применяют при бурении скважин.

Предположим, что имеется десять железобетонных труб последовательно уменьшающихся диаметров, длиной 30 м каждая. Их вкладывают друг в друга. Обычными строительно-монтажными механизмами эти трубы ус. Затем на верхней части внутренней трубы устанавливают в зависимости от ее назначения радио- или телевизионные антенны, ресторан.

Все это происходит на высоте около 30 м и не требует специальных подъемных средств. После монтажа оборудования в промежуток между фундаментом и внутренними трубами начинают качать глинистый раствор. В насосе и в трубопроводе, где раствор сильно перемешивается, он ведет. Зато в зазоре между трубами, которые медленно перемещаются 11 относительно друг друга, раствор становится почти твердым, и внутреннее давление не может протолкнуть его через щель.

При этом внутреннее давление может превзойти вес труб, и они начнут подниматься, последовательно выдвигаясь друг из друга. В таком положении трубы фиксируют с помощью сварки закладных металлических частей. Глину спускают, зазор заливают цементом, и трехсотметровая вышка готова. Таким образом, уникальное сооружение можно быстро и д. Кроме этих качественных соображений, мы можем привести ко Первый вопрос, на который должен дать ответ расчет,- это вопрос о необходимой вязкости раствора.

Если вязкость взять. З Обратимся к рис. На нем изображены два вложенных друг в друга отрезка - трубы и профиль скорости течения жидкости в добавится существенная. Профиль скорости, как известно из специальной литературы, определится следующей функцией: Отсюда мы получим связь между параметрами задачи: Разность давлений Р1 - Ро определяется площадью и весом внутренней трубы.

Поэтому всегда представляется возможность выбрать скорость такой, чтобы условие 4 было выполнено. При этом жидкость в своем движении не будет обгонять движение трубы и тормозить ее движение. Анализируя формулу 4можно понять, почему, используя минеральное масло в телескопических подъемниках, приходится плотно подгонять одну трубу к Другой.

Рассмотрим теперь давление и подъемный кран будет подниматься вместе с трубами, высота сооружения не усложняет ведения монтажных работ. Высота и вес сооружения приведут к большому гидростатическому давлению жидкости и к большим усилиям на разрыв в трубе, которая лежит в основании сооружения. Чтобы уменьшить эти усилия, нужно осуществлять подъем по секциям.

Материалы для студентов и аспирантов кафедры гидромеханики

Внутренние трубы фиксируются друг относительно друга. После подъема на высоту одной секции смежная пара фиксируется относительно внешней, глинистый раствор выпускается из нижней секции. Затем на высоте секции устанавливается заглушка и сюда подводится ; глинистый раствор по тонким трубам, для которых давление в атм не будет предельным. Такой порядок монтажа позволяет избежать большого давления в нижней трубе, имеющей максимальный диаметр. Частицы, находпщиеся на поверхности жидкости, находятся в других условиях.

Отсутствие сил усилия на разрыв, возникающие в трубе. ПQскольку 12 компенсируется силами поверхностного натяжения. Возьмите тонкую швейную иголку и потрите ее пальцами. Кусочек промокательной бумаги положите на воду, а сверху опустите иголку.

гидродинамика знакомая и незнакомая

При Этом хорошо будет видно углубление в воде, которое она образует. Именно это явление используют водяные насекомые водомеры, быстро бегающие по поверхности прудов.

Но можно попытаться вскипятить. Легко понять, что пары воды вытолкнут всю воду Поскольку силы поверхностного натяжения прямо пропорциональны кривизне мениска, они в наибольшей степени проявляются в капиллярах. Причем в зависимости от того, смачивается или не смачивается материал капилляра, жидкость будет либо поцниматься, либо опускаться по капилляру.

По тонким капиллярам в стволах деревьев вода поднимается на десятки метров вверх, снабжая водой самые верхние листья. Если у вас есть мелкое ситечко для разливки чая, вы можете проделать и другой опыт. Смочите ситечко подсолнечным маслом. Стряхните его, чтобы масло не затягивало ячейки. А теперь налейте в ситечко немного воды. Вода останется в ситечке. Свойство сита не пропускать воду используется при заливке бензина в бак машины.

Читатель, конечно, знает, что открытое пламя в условиях невесомости быстро через отверстие, предназначенное для выхода пара. Конечно, вскипятить воду на космическом корабле никто и не пытался.

Однако на одной 1: В условиях земного притяжения пар в сосуде Дьюара поднимается к поверхности и выходит через отверстие. Если отверстие закрыть, то сосуд разорвется от давления пара. Пока гелий весь не испарится, температура.

Хорошая теплоизоляция, обеспечиваемая сосудом Дьюара, позволяет достаточно долго хранить гелий. На американской космической станции пары вытолкнули гелий через отверстие, предназначенное для выхода пара, и сосуд быстро опорожнился.

гидродинамика знакомая и незнакомая

Зачем нужны такие материалы? Исследования пок-азали, что многие привычные нам материалы резко меняют свои физические свойства, когда из них удаляются малые примеси. Для примера укажем, что обычный алюминий после глубокой очистки количество примесей не более единицы на 1 О тысяч объема приобретает аномально высокую -электропроводность в раз больше обычной при температуре жидкого водорода.

Еще более чувствительны к примесям полупроводниковые материалы, применяемые в электронной технике. Для очистки материалов применяют либо зонную плавку, либо вакуумную переплавку. В первом случае примеси вытесняются из зоны кристаллизации в жидкую зону. Во втором случае примеси диффундируют по расплаву из объема на поверхность и рассеиваются в вакууме. Таким обра,зом, тигель или ковш, в котором удерживается очищаемый материал, всегда будет вносить примеси.

Чтобы этого избежать, приходится тигель охлаждать, чтобы на его стенках образовался твердый слой перепла JJЛяемого материала, так называемый гарнисаж. Таким образом, процесс очистки происходит в условиях огромного теплового потока.

А если учесть, что подогрев осуществляется самой дорогой формой энергии - электромагнитным излучением, то понятна сложность всего технологического 14 процесса.

Иное дело в космической лаборатории. Сфокусированный солнечный луч позволяет нагреть материал до С. Естественный вакуум служит и надежным теплоизолятором, и бесконечной емкостью для примесей. Его функцию может выполнять электромагнитное поле, которое будет и дозировать, и транспортировать жидкие объемы.

Отсутствие конвективного перемешивания в невесомости делает более глубокой плавке. Круглое бревно плавает на поверхности воды в полном соответствии с этим законом.

Не будет нарушен закон Архимеда и в том случае, если вы сядете на это бревно. Сила Архим;да равна общему весу, и вам, казалось бы, можно плыть и плыть. Но при самом небольшом возмущении бревно вместе с вами перевернется, и вы окажетесь под водой. И то обстоятельство, что закон. Архимеда не нарушался, будет слабым для вас утешением. Лопата погружается в воду до тех пор, пока вес вытесненной воды не сравнивается с ее весом.

Это обстоятельство обусловливает 15 корпуса лодки, обеспечивает устойчивость катамарана. Условия устойчивости катамарана такие же, как и д.

По рекам и озерам удобно пла- вать в лодках-плоскодонках. Широкое моское дно, во-первых, обеспечивает малую глубину погружения лодки и облегчает мавание по мелководью, и, во-вторых, обеспечивает хорошую устойчивость лодки. При наклонном положении такой лодки вытесренный ею объем Рис. В том случае, если волна вызовет отклонение лопаты от вертикального положения, возникнет момент, который возвратит лопату в прежнее положение.

На кораблях это условие обеспечивают низким расположением двигателей и грузов. На яхтах, у которых, кроме всего, нужно уравновешивать момент силы, приложенной к парусу, ставят тяжелый, низкорасположенный киль.

Размещение груза по объему подводной лодки также проводится с учетом условия устойчивости. Его используют с древнейших времен полинезийские рыбаки в своих конструкциях парусных лодок, которые известны как катамараны. В сочетании с силой тяжести эта сила вызовет восстанавливающий момент, и отпадет необходимость в низком расположении центра тяжести. Каким требованиям должна удовлетворять игрушка, чтобы обладать устойчивостью? Здесь G - вес, R - радиус опорной поверхности, r - расстояние от опорной точки до центра тяжести.

Простое применение этому ма Теперь перенесем эти выводы на корабль. Точка опоры для корабля - это точка. При наклоне корабля эта точка смещается по некоторой кривой с радиусом кривизны R и центром кривизны метацентром О. Расстояние от точки приложения архимедовой силы до центра тяжести в наших обозначениях равняется r. Нет сомнения, что пневматические кресда найдут особенно широкое распространение в авиации. Они легче алюминиевых кресел и, кроме -того, обладают великолепными свойствами.

Возьмем кольцевую трубку диаметром d, накачаем ее воздухом под давлением р. Чтобы это кольцо сделать колесом, достаточно в середину его поместить втулку и соединить ее кольцом. Сжатый воздух пытается растянуть его, нагрузка через спицы- сжать. Например, рассчитаем необходимое дамение в трубках, которые могут быть использованы в качестве велосипедных колес без металлического обода. Пусть диаметр каждой трубки будет равен 4 см, а вес велосипедиста вместе с велосипедом Н.

Так, При диаметре 8 см необходимое. Движение колеса без обода по неровной поверхности имеет свои особенности. Рассмотрим, что произойдет с колесом, когда оно на- 2. В момент столкновения благодаря силам инерции нагрузка на колесо, превзойдет расчетный вес. Поэтому в месте касания колесо прогнется, обогнет камень, затем расправится и поедет. Как видим, для такого колеса не страшны неровности даже на большой скорости. Более того, чем больше скорость, тем менее заметно действие препятствия.

Применение колес без жесткого обода позволяет конструировать транспортные средства без рессор. К условию равновесия мы должны еще прибавить условие устой. Велосипедистам хорошо известно, что колесо склонно сворачиваться в восьмерку. ИсклюИтельная легкосеть рас- rематривае: Чтобы Человек мог разместиться внутри колеса, оно должно быть спаренным из двух трубок и иметь достаточно большой диаметр, например два метра.

Коленчатый вал соединяет 17 18 между собой правую и левую втулки и служит одновременно рамой, к которой присоединяется мqтор, бензобак и сиденье для водителя. При этом важно, чтобы центр масс мотоцикла занимал как можно более низкое положение. Для тех, кто захочет изготовить такой мотоцикл своими руками, можно дать несколько практи В качестве трубок можно использовать два куска пожарного шланга длиной шестьсемь метров.

Камеры можно изготовить из трех-четырех мотоциклетных камер, спицы - из теннисных струн. Камеры нужно накачивать до тех пор, пока оба колеса одновременно не перестанут проседать под вашим весом.

И в то же время неравномерное давление должно вызывать прогиб одного из колес. Повороты осуществляются с помощью перемещения все;. Дw1я этог9 сиденье должно быть достаточно широким. Втулка такого колеса, конечно, не может быть сплошной прямой трубой, соединяющей правые спицы с левыми, как у велосипедного колеса. Она должна состоять из двух отдельных дисков - правого и левого, каждый из которых стягивает только правые и левые струны - спицы. Эти диски должны быть снабжены двумя рядами подшипников, в которые вставляются концы вала.

Сам вал не может быть прямым и проходить вдоль оси колеса, так как именно в этом месте будет находиться человек. Поэтому вал должен иметь колено, опущенное вниз примерно на половину радиуса колеса.

К этому колену будет крепиться и сиденье для пассажира, и механизм привода, который может быть педальным или моторным. Крутящий момент с помощью цепной передачи должен передаваться к одному или обоим дискам втулки.

Наличие такого момента, приложенного к колесу, и противоположного МQмента, приложенного к валу, приведет к повороту колена, в результате чего центр масс человека, сидящего на валу, сместится и будет проходить впереди точки опоры колеса.

Благодаря этому колесо начнет катиться. При торможении центр тяжести перемещается назад и появляется тормозящий момент. Легко заметить некоторую специфику транспортного устройства.

При большом тормозящем или разгонном моменте коленчатый вал может повернуться больше чем на девяносто градусов. При повороте на сто восемьдесят градусов водитель окажется перевернутым вниз головой, а тормозящий или разгонный момент обратится в нуль. Поскольку в таком положении центр м,асс будет располагаться выше оси вращения, человек будет кувыркаться, как опрокинутый маятник.

Такое поведение может возникнуть при попытке спуска или подъема по горе большой крутизны или при сильном разгоне и торможении. Проведем здесь оценку допустимой крутизны склонов и ускррений, при которых водитель не будет кувыркаться. Максимальный тормозящий и разгонный моменты возникают в положении, когда коленчатый вал из вертикального положения повернется в горизонтальное.

Этот момент может вызывать ускоренное движение или торможение транспортного устройства.

  • Гидродинамика знакомая и незнакомая
  • книга Гидродинамика знакомая и незнакомая
  • Меркулов В.И. Гидродинамика знакомая и незнакомая

Нужно сказать, что такое ограничение не является чрезмерным. Педальная машина вообще не может разгоняться с u таким ускорением. Аналогичное положение возникает при езде по крутым склонам. Но такой крутизны склон не может преодолеть и автомобиль по той же причине малого коэффициента трения скольжения колес по грунту. Смещение центра масс на половину радиуса колеса можно осуществить только при большом диаметре колеса: В педальной же машине центр масс можно расположить только на одну четверть ра- 2 диуса ниже оси колеса.

В этом случае предельным склоном будет склон с углом наклона пятнадцать градусов. Подчеркнем, что речь идет о длинном склоне, который преодолевается или с которого спускаются без разгона. Короткий склон может преодолеваться с разгоном, и поэтому крутизна его может быть.

Интересно посмотреть, что произойдет при столкновении описываемого мотоцикла с препятствием. Прежде всего водитель, как маятник, повернется вокруг оси, занимая горизонтальное положение ногами вперед а не головой, как на обычном мотоцикле.

Затем колесо начнет сплющиваться, амортизируя удар. В наш век животные все больше уступают место машинам. Наверное, именно этим объясняется то высокомерие, с которым верблюды проходят мимо увязших в песке машин. Мы, люди, можем понять и простить презрение верблюда к машинам, но мы не можем себе простить, что творению наших рук так далеко до творения природы.

Описанный выше мотоцикл может послужить прототипом нового транспортного средства, способного двигаться по пустыням рис. Это обстоятельство наводит на мысль Рис. Для примера рассмотрим транспортное средство, опирающееся на два колеса высотой.

Пусть его общий вес будет равен двум тоннам это может быть многоместньlй автобус или грузовой автомобиль. Эта величина примерно в пять раз меньше давления, создаваемого человеком, и во много раз меньше давления под копытами верблюдов.

В этом отношении нам удалось их превзойти! Все это обеспечит высокую использовать аэростаты, наполненные природным газом, для транспортировки этого же газа. Однако этот способ имеет свои недостатки. Нарушение аэростатического равновесия в полете, большие ветровые нагрузки, опасность загорания от молний и статического электричества - все это делает аэростат малонадежным средством транспорта. Тем не менее аэростатические свойства природного газа и дешевый пленочный материал можно использовать для создания иной транспортной с11стемы, свободной от указанных недостат-: Представьте себе,- что мы собрали все аэростаты и установили их в одну цепочку от месторождения газа до места его потребления.

Соединив аэростаты открытыми концами друг с другом, получим своеобразный газопровод. При равной производительности проходимость рассматриваемого на аэростатический газопровод транспортного средства. Описанный экипаж, особенно если его оборудовать установкой кондиционирования воздуха и холодильником с прохладительными напитками, по достоинству будет носить гордое имя корабля пустыни современной конструкции. Увеличение расхода пленки полностью окупается повышением надежности такой транспортной системы.

ЛИНа и диаметр трубопровода соответственно, U ер - средняя скьрость движения газа, Q - его плотность.

гидродинамика знакомая и незнакомая

Ценность формулы 5 состоит в том, что коэффициент Л может быть определен на трубах другого диаметра и при другой скорости течения газа. Это представляет нам возможность воспользоваться существующими экспериментальными данными. Вычислим из формулы 5 скорость и массу транспортируемого в единицу времени газа и.

гидродинамика знакомая и незнакомая

Действительно, увеличение диаметра всего в 4 раза при сохранении прочих равных условий приводит к кратному увеличению производительности газопровода. Именно по пути увеличения диаметра труб шла до сих пор газовая промышленность.

Однако дальнейшее увеличение диаметра по сравнению с достигнутым размером, равным мм, вызывает большие трудности при изготовлении труб и при их укладке. Другое дело в воздухе. Для примера рассмотрим газопровод диаметром d 16 м.

При таких технических данных газопровод способен перекачать в год млрд м 3. Аэростатический газопровод будет подвергаться действию большой ветровой нагрузки, которая может вызывать колебания и, следовательно, быстрый износ оболочки или в крайнем случае прижмет оболочку к "земле и нарушит ее целостность.

Действию ветра можно воспрепятствовать косыми, предварите. Вычислим, какое максимальное натяжение можно допустить в растяжках, не вызвав прижатия газопровода к земле.

Угол наклона растяжек примем равным Теперь мы можем определить предельную скорость ветра. И тем не менее недостаточная надежность такого газопровода является его главным недостатком. И дело даже не в стоимости восстановления поврежденных участков. Пленка дешевая, и ее всегда можно заменить новой. Дело в надежности обеспечения потребителя газом.

Однако и тут можно найти выход. В европейской части СССР имеется большое число истощенных месторождений газа, которые могут служить отличными хранилищами и распределителями газа.

Рассчитанный нами газопровод, даже если он будет работать только дней в году, способен перекачать 75 млрд м 3 газа и заполнить огромное хранилище, из которого газ по уже лежащим в земле трубам будет транспортироваться непрерывно и в нужном количестве всем потребителям.

Для транспортировки природного газа вопрос надежности играет большую роль. В летнее время года или при наличии ветра естественная циркуляция обеспечивает удовлетворительную вентиля- 23 Рис.