Что называется гидростатическим давлением в каких единицах измеряется гидростатическое давление
Гидростатическое давление и его характеристика
Что такое гидростатическое давление? Какими характеристиками оно обладает и в каких единицах измеряется? Если вы любите исследовать физические величины, тогда смело читайте статью до конца.
Общее представление о гидростатическом давлении
Гидростатическое давление – это сила давления водного столба над определенным, условно обозначенным уровнем. Полная удобная подвижность частиц капель жидкости или газа позволяет, находясь в состоянии покоя, передать равносильно давление по всем направлениям. Таким образом, давление воздействует на любую часть плоскостей, что ограничивают жидкость, при использовании силы P, которая по своей характеристике пропорциональна размеру данной поверхности либо направлена по нормали в ее сторону. Гидростатическим давлением называют отношение между Pw, иначе говоря, это давление, создаваемое р на поверхности, равной единице.
В итоге мы получаем довольно легкое уравнение P = pw, которое позволяет точно вычислять давление на конкретную поверхность чего-либо, например сосуда, газа или жидкостных капель, что находятся в условиях, создающих очень малое давление в сравнении с тем, что передается снаружи. К этому аспекту явлений можно отнести практически любые случаи газового давления и расчетов давления воды, находящейся в гидравлическом прессе или аккумуляторе.
Блез Паскаль открыл и описал это жидкостное свойство в 1653-м, однако Симон Стевин знал и использовал это понятие немного раньше.
Разновидности
Виды гидростатического давления:
Способы вычисления давления в жидкостях
Гидростатическое давление присутствует в любой жидкости и обуславливается весом самого вещества p = G/S = mg/S. Известно, что m = pV, тогда p = pgV/S, и с учетом того факта, что V = Sh, мы получаем следующую формулу:
Показатель жидкостной плотности p напрямую зависит от уровня температуры. Для вычисления, требующих невероятной точности, используют специальную формулу. Гидростатическим давлением также называют сумму силы давления, определяющегося величиной веса жидкостного столба и поршневым давлением.
Единицы измерения
Парадокс гидростатического характера и связь с законом Паскаля
Гидростатическое давление и его свойства могут изменяться, что связано с попытками произведения вычислений силы д-ния в определенных обстоятельствах. Сложнее производить вычисления, если необходимо узнать силу давления, оказываемую на негоризонтальные стены сосуда. Причиной давления здесь выступает вес жидкостного столба с бесконечно малой частицей в основании, которая рассматривается на поверхности. Высота выступает вертикальным расстоянием всех таких частиц от свободной жидкостной поверхности. Эти расстояния не будут постоянными для боковых стен. Здесь необходимо использовать, при суммировании боковых стенок, правила интегральных исчислений, давления упирающегося на любые элементы, находящиеся в горизонтальном положении. С учетом всего вышесказанного получаем правило, при котором давление тяжелых жидкостей на любую плоскую стену соответствует весу жидкостного столба, имеющего в качестве основания площадь данной стены, а высота является вертикальным расстоянием ее центра тяжести, удаленного от жидкостной поверхности свободного типа. Из этого следует, что давление на дно сосуда зависит лишь от размера его поверхности, высоты жидкостного уровня, налитого в сам сосуд, и от показателя плотности, а вот форма сосуда не влияет на давление. Такое явление называют гидростатическим парадоксом.
Этот парадокс был доказан Паскалем в опытах с сосудами, расширяющимися кверху и книзу. В первом сосуде избыточный вес жидкостей поддерживали боковые стены, и передавался он при помощи стен, не действуя при этом на дно. А во втором сосуде давление действовало на боковые стены по направлению от низа к верху, и, как результат, облегчало вес на величину, равную недостатку жидкости.
Подводим итоги
В целом гидростатическое давление является важной характеристикой жидкостей, используемой человеком во множестве расчетов и при работе с различными приборами, например насосами. Эта величина имеет некоторые особенности, раскрывающиеся в парадоксе гидростатического давления. Она представлена в трех видах и имеет свою единицу измерения.
Гидростатическое давление и его свойства. Единицы давления
Выделим в жидкости некоторый объем (рис. 3.1) и разделим его на две части горизонтальной плоскостью с площадью поверхности раздела S. Заменим силы, с которыми верхняя часть выделенного объема воздействует на нижнюю часть, равнодействующей силой Е. Равновесие жидкости при этом не нарушится. Разложим эту силу Е на две составляющие: нормальную силу F и касательную Т. Предположим, что жидкость находится в состоянии покоя. Тогда касательные напряжения в покоящейся жидкости будут равны нулю, соответственно, Т=0. Как отмечалось выше, напряжения растяжения в жидкости равны нулю, следовательно, в покоящейся жидкости возможны только напряжения сжатия, а сила гидростатического давления F=E. Причем сила F будет нормальна к поверхности площадью S и она – сила гидростатического давления. Напряжения, которые при этом возникают, являются напряжениями сжатия жидкости σ или гидростатическим давлением р.
Напряжения, возникающие в покоящейся жидкости под действием сжимающих сил, называются гидростатическим давлением.
При равномерном распределении силы F по площади S гидростатическое давление р равно:
. (3.1)
Когда сила F неравномерно распределена по площади S, тогда и давление р в каждой точке этой площади различно. В этом случае имеет место давление в точке. Выделим на упомянутой плоскости элементарную площадку ΔS (см. рис. 3.1), на которую будет приходиться элементарная сила гидростатического давления ΔF. Тогда давление в точке будет равно:
(3.2)
Гидростатическое давление характеризуется следующими основными свойствами.
Первое свойство. Гидростатическое давление направлено внутрь рассматриваемого объема жидкости по нормали к поверхности (по внутренней нормали), на которую действует, и создает только напряжение сжатия. Это свойство вытекает из определения гидростатического давления, т.к. напряжения сжатия возникают от нормально действующих сжимающих сил.
Второе свойство. Давление на поверхность жидкости, производимое внешними силами, передаётся жидкостью одинаково во всех направлениях. Установлен Б. Паскалем и опубликован в 1663 г. На основе закона Паскаля основано действие гидравлических прессов и других объемных гидроприводов.
Третье свойство. Гидростатическое давление в различных точках покоящейся жидкости различно и является функцией координат точки, т.е. p = f(x,y,z). Тогда полный дифференциал давления равен:
. (3.3)
Формула для гидростатического давления P = ρgh означает , что чем больше расстояние между точкой измерения и поверхностью воды, тем больше гидростатическое давление в этой точке.
Из-за силы тяжести вес частиц воды будет давить на частицы внизу, затем частицы воды внизу будут прижимать друг друга к дну воды, так что давление внизу будет больше, чем давление вверху.
Таким образом, чем глубже мы ныряем от поверхности воды, тем больший объем воды находится над нами вместе с поверхностью воды, поэтому давление, которое вода оказывает на наши тела (гидростатическое давление), будет еще больше.
Формула гидростатического давления
Формула гидростатического давления:
Ph = ρgh
Чем больше расстояние между точкой измерения и поверхностью воды, тем больше гидростатическое давление в этой точке. Это можно увидеть на изображении ниже, где чем выше уровень воды, тем выше гидростатическое давление на дне сосуда.
Также прочтите: Формула треугольника Паскаля [ПОЛНАЯ] и пример задачи.
В результате вода будет брызгать дальше в сосуд с правой стороны, потому что давление выше, чем в сосуде с левой стороны.
Приведенная выше формула для гидростатического давления используется для определения значения гидростатического давления в закрытом сосуде (например: давление в определенной точке воды в закрытой бутылке, резервуаре для воды или закрытой бочке с водой).
Чтобы рассчитать общее давление в точке ниже поверхности воды на открытых участках, таких как озера и моря, а также во всех открытых контейнерах / контейнерах, необходимо добавить в расчет величину атмосферного давления.
Таким образом, общее гидростатическое давление в открытых условиях равно гидростатическому давлению воды в этой точке плюс величина давления, действующего на поверхность воды, которое определяется следующим образом:
Принцип формулы гидростатического давления
Чтобы лучше понять принцип формулы гидростатического давления, рассмотрите следующую иллюстрацию.
Примеры проблем гидростатического давления
Пример проблемы 1
Рыба плавает в аквариуме. Рыбка находится в 50 см от поверхности аквариума. Какое гидростатическое давление получают рыбы?
(плотность воды = 1000 кг / м3 и ускорение свободного падения 10 м / с2)
Решение:
Известный :
Разыскивается : Ph?
Ответ:
Ph = 1000 х 10 х 0,5
Также прочтите: Сервисное письмо: Определение, характеристики и примеры [FULL]
Таким образом, гидростатическое давление, которое получает рыба, составляет 5000 паскалей.
Пример проблемы 2
Дайвер ныряет на глубину 10 м от поверхности воды. Если плотность воды составляет 1000 кг / м3, а ускорение свободного падения составляет 10 м / с2, тогда найдите и определите гидростатическое давление, которое испытывает дайвер!
Решение:
Известный :
Ответ:
Итак, гидростатическое давление, которое вы испытываете, равно 100000 Н / м2.
Пример задачи 3
Рыба находится в водяной бане, как на следующей картинке:
Если плотность воды составляет 1000 кг / м3, а ускорение свободного падения составляет 10 Н / кг, гидростатическое давление, воспринимаемое рыбой, составляет….?
Решение:
Помнить! Глубина измеряется от поверхности жидкости.
Известный :
Определение глубины (ч)
Требуется: гидростатическое давление (Ph)?
Ответ:
Пример задачи 4
Атмосферное давление на уровне моря составляет 1,01 x 105 Па. почему мы не чувствуем, как атмосферное давление давит на наши тела?
а) Сила тяжести сводит на нет чувство давления
б) Мы привыкли к атмосферному давлению с самого рождения
в) Жидкости в нашем теле выталкиваются из тела с той же силой.
г) Величина атмосферного давления считается нулевой из-за силы тяжести.
Решение:
Кровь и жидкости в организме человека создают давление, равное атмосферному давлению вне тела. Поскольку давление, которое давит наружу в теле, такое же, как атмосферное давление, давящее на тело, мы не чувствуем давления атмосферного давления на наше тело.
Это объяснение формулы для гидростатического давления вместе с примером применения формулы. Может быть полезно.
Гидростатическое давление
Определение гидростатического давления
Физическая величина, равная отношению нормальной силы ($F$), действующей со стороны жидкости на некоторую площадь, на величину этой площади ($S$) называют давлением ($p$) жидкости:
\[P=\rho gSh\ \left(2\right).\]
В соответствии с (1) давление на основание столба жидкости составит величину:
Формула (3) указывает, что давление столба несжимаемой жидкости на дно сосуда зависит от высоты и плотности жидкости. В общем случае плотность зависит от температуры жидкости. Давление, которое вычисляется при помощи формулы (3) называют гидростатическим давлением/
И так, гидростатическим давлением называют давление столба жидкости, находящейся в состоянии равновесия, над некоторым условно выбранным уровнем при действии силы тяжести. Гидростатическое давление определяется по формуле (3).
Единицей измерения гидростатического давления в Международной системе единиц (СИ) является паскаль (Па):
Закон Архимеда
В соответствии с формулой (3) давление, оказываемое на нижние слои жидкости больше, чем на верхние. Из-за этого тело, погруженное в жидкость, испытывает действие выталкивающей силы. Величину выталкивающей силы определяет закон Архимеда: На тело, находящееся в жидкости (газе) действует выталкивающая сила, которая равна весу жидкости (газа) вытесненной телом. Эта сила называется силой Архимеда ($F_A$):
\[F_A=\rho gV\ \left(4\right),\]
Примеры задач с гидростатическим давлением
Задание. В чем состоит суть гидростатического парадокса?
Решение. Гидростатическим парадоксом называют явление, при котором сила весового давления жидкости, находящейся в сосуде отличается от веса находящейся там жидкости. Сила давления жидкости на дно емкости равняется весу жидкости только в том случае, если сосуд имеет форму цилиндра. При такой конфигурации емкости стенки являются вертикальными, силы давления стенок на жидкость (соответственно, жидкости на стенки) направлены горизонтально, вертикальной составляющей они не имеют (рис.1).
Если сосуд имеет вверху поперечное сечение больше, чем сечение дна, то сила давления на дно меньше, чем вес жидкости. И наоборот, если сосуд с жидкостью имеет сужающееся вверху горло, то сила давления на дно сосуда больше, чем вес жидкости. Причиной возникновения гидростатического парадокса является то, что жидкость оказывает давление не только на дно сосуда, но давит и на его стенки. При этом давление на стенки сосуда, расположенные не перпендикулярно основанию имеют вертикальную составляющую. При этом в сосуде, который расширяется к верху, эта составляющая направлена вверх, а в сосуде, уменьшающем свое сечение к верху, вертикальная составляющая давления направлена вниз. Вес жидкости вычисляется как сумма всех вертикальных компонент давления жидкости по внутренней площади емкости.
Решение. Гидростатическое давление на дно сосуда найдем как:
\[p=\rho gh\ \left(2.1\right),\]
Вычислим это давление:
\[p=1000\cdot 9,8\cdot 0,5\approx 5000\ (Па)\]
Гидростатическое давление: формула, свойства и особенности
Понимание законов и свойств гидростатического давления необходимо при создании и применении оборудования, работающего на гидроавтоматике, насосов любых видов, типов.
Оглавление:
Если заглянем в словарь или «Википедию», выясним, что гидростатическое давление — это давление силы тяжести на жидкость. Занимается гидростатикой один из разделов гидравлики, где изучаются законы равновесия жидкостей и оцениваются возможности применения этих законов на практике.
Самое важное о гидростатическом давлении: закон Паскаля и формула
Закон гидростатики был открыт Паскалем в 1653 году. Звучит закон так: давление на поверхность жидкости, которое передается внешними силами, передается в жидкости во всех направлениях одинаково. Другими словами, давление на жидкость передается не только в направлении действия силы, но и равнозначно во все другие направления.
Этот закон оказался весьма полезным и нашел широкое применение в промышленности. На законе Паскаля основана работа гидроавтоматики, которая управляет автомобилями, станками с ЧПУ, самолетами, другими гидравлическими машинами.
Формула гидростатического давления выглядит так:
p – плотность жидкости,
g – ускорение свободного падения, постоянная величина,
h – глубина, где необходимо определить давление.
Важно: величина гидростатического давления не зависит от формы сосуда, где находится жидкость.
Особенности измерения гидростатического давления и его свойства
Учет величины гидростатического давления может вестись разными способами. Если необходимо рассчитать полное или абсолютное гидростатическое давление, учитывающее атмосферное давление, действующее на поверхность жидкости, величина измеряется в абсолютных технических атмосферах. Но часто атмосферное давление на свободной поверхности не учитывают, определяя манометрическое или избыточное гидростатическое давление — то, которое действует сверх атмосферного. Чтобы найти манометрическое давление, нужно из абсолютного вычесть атмосферное. Измеряет ся избыточное давление также в технических атмосферах, но уже избыточных.
1. Гидростатическое давление воды всегда направлено к площади, на которую воздействует, по внутренней нормали. Это свойство обусловлено тем, что в покоящейся жидкости нет растягивающих и касательных усилий. И отсюда следует вывод: при изменении давления в определенной точке следует ожидать такого же изменения в любой другой точке жидкости.
2. В конкретной точке величина давления не зависит от направления — оно одинаково по всем направлениям. Другими словами, внешнее давление на свободную поверхность жидкости передается во все точки без изменений.
3. На величину давления влияет вязкость жидкости. Вязкость — свойство жидкости сопротивляться перемещению одной ее части относительно другой. Это свойство проявляется только во время движения, колебания жидкости и распределяет скорости по живому сечению потока.
Несколько слов о кавитационном режиме насосов
При достижении определенных условий в насосах может возникать кавитация — явление, которое создается при снижении гидростатического давления и характеризуется появлением пузырьков газа в движущейся жидкости. В зоне, где гидростатическое давление повышается, пузырьки схлопываются.
Сегодня не существует материалов, которые имели бы абсолютную устойчивость к кавитационным разрушениям, поэтому нельзя допускать работу насосов в кавитационном режиме. Основное средство по предупреждению кавитации — регулирование давления во всасывающем трубопроводе. Оптимальные параметры определяются высотой всасывания жидкости во время функционирования насоса.
Чтобы определить критический кавитационный запас, при производстве насоса проводят кавитационные испытания. В результате каждый режим работы насосного оборудования получает кавитационную характеристику, определяемую зависимостью мощности и напора насоса от кавитационного запаса.