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2.2 流体静力学

液体静力学是研究液体在静止状态下的遵循力学规律以及这些规律的应用的一门学科。这里所说的静止,是指液体内部质点之间没有相对运动,至于液体整体,完全可像刚体一样作各种运动。

2.2.1 液体静压力及其特性

1)液体的静压力

液体处在静止状态时,单位面积上所受的法向力定义为静压力。如果在液体内某点处微小面积ΔA上作用有法向力ΔF,则ΔF/ ΔA的极限就定义为该点处的静压力,并用p表示,即

若在液体的承压面积为A,力F均匀的作用在面积A上,则静压力可表示为

液体静压力在物理学上,定义为压强;在工程实际应用中,习惯上称为压力。

在国际单位制(SI)中,压力的单位是Pa(帕,N/ m 2 )。由于此单位太小,在工程上使用很不方便。因此,常采用它的倍数单位MPa(兆帕),即

1 MPa = 1 × 10 6 Pa

压力的常用单位是巴(bar)、工程大气压(lat)、1 米水柱(1 mH 2 O)、10 米水柱、1 毫米汞柱(1 mmHg)。各种常见单位之间的换算关系为

1 bar = 1 × 10 5 Pa = 0.1 MPa

1 at(工程大气压)= 1 kgf/ cm 2 = 9.8 × 10 4 Pa

1 mH 2 O(米水柱)= 9.8 × 10 3 Pa

1 mmHg(毫米汞柱)= 1.33 × 10 2 Pa

2)液体静压力的特性

①液体静压力的方向垂直于其承压面,其方向指向该面的内法线方向。

②静止液体内任一点静压力在各个方向上大小都相等。

2.2.2 静压力基本方程
1)静压力基本方程式

在大气中静止液体受到的力有两个:一是液体的重力;二是大气压施加的压力。其受力情况如图 2.3(a)所示。如果计算离液面深度为h的某一点压力,可以以该点为圆心取一个半径为r的圆柱,如图 2.3(b)所示。设液柱底面积为ΔA,高为h,体积为ΔA·h,则液柱的重力为G,且作用于液柱的重心上。由于液柱处于平衡状态,因此,在垂直方向上存在关系

等式两边同时除以ΔA,得

图 2.3 液体静压力分布规律图

式(2.13)为液体的静压力基本方程式。可知,处于静止状态的液体,其压力分布有以下特征:

①静止液体内任一点的压力由两部分组成:大气压力和液体自重产生的压力。

②静止液体内的任一点压力随深度增加呈线性规律递增。

③离液面深度相同处各点的压力均相等,而压力相等的所有点组成的面,称为等压面。

2)压力的表述方法以及单位

液体压力可用绝对压力和相对压力来表示。以绝对真空为基准来度量的压力,称为绝对压力。式(2.13)表示的压力为绝对压力。以大气压力为基准来度量的压力,称为相对压力。如式(2.13)中超过大气压的那部分压力定义为相对压力,相对压力也称表压力。若某点的绝对压力低于大气压时,大气压与该点的绝对压力之差,称为真空度,即

真空度=大气压-绝对压力

绝对压力、相对压力和真空度的表示方法如图 2.4 所示。

2.1 如图 2.5 所示,容器内充满油液。已知油的密度ρ = 900 kg/ m 3 ,活塞上的作用力F = 1 000 N,活塞面积A = 1 × 10 -3 m 2 ,忽略活塞的质量。问活塞下方深度为h = 0.5 m处的静压力等于多少?

图 2.4 绝对压力、相对压力和真空度

压力表的使用

图 2.5 液体内部压力计算

解 由p = p 0 + ρgh,活塞与油液上接触的压力为

则深度为h = 0.5 m处的液体压强为

3)静压力对固体壁面的作用力

液体作用在固体壁面时,固体壁面将受到液体静压力的作用。

当固体壁面为一平面时,液体压力在该平面上的总作用力F等于液体压力p与该平面面积A的乘积,其作用力垂直于该平面,即

当固体壁面为一曲面时,情况就不一样;作用在曲面上各点处的压力方向是不平行的。因此,静压力作用在曲面某一方向上的总作用力F,等于液体压力与曲面在该方向投影面积A的乘积,即

上述结论适用于任何曲面。下面以液压缸缸筒的受力情况为例加以证明。

2.2 有一个液压缸缸筒如图 2.6 所示。缸筒半径为r,长度为L,试求液压油对缸筒右半壁内表面在x方向上的作用力F x

图2.6 作用在缸筒内壁上的力

在右半壁面上取一微小面积dA = lds = lrdθ,则压力油作用在dA上的力dF = pdA的水平分力为

对式(2.16)积分,得右半壁面在x方向的作用力为

由式(2.17)可知,液体压力在x方向上的作用力F x 等于压力p与缸筒内右半圆曲面在x方向投影的面积的乘积。 SqaGlWvtbdNryc9QMM2Yrax5NAzy3kok3vHYtXYTQrirSaB56O+VB7hqwFpiIHHh

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