Работа 1.1. измерение гидростатического давления и экспериментальное подтверждение закона паскаля

Вводная часть. Гидростатическим давлением называют нормальное сжимающее напряжение, возникающее в покоящейся жидкости под действием поверхностных и массовых сил,

, (1.1)

где - элементарная равнодействующая поверхностных и массовых сил (гидростатическая сила), Н;

- элементарная площадка действия, м².

Из формулы (1.1) видно, что гидростатическое давление есть предел отношения элементарной гидростатической силы к элементарной площади действия , когда последняя стремиться к нулю.

За единицу гидростатического давления принято равномерно распределённое давление, создаваемое силой в 1 Н, на площади в 1 м², т.е. (один Паскаль).

Гидростатическое давление, отсчитываемое от нуля, называют абсолютным ( ), а отсчитываемое от атмосферного ( ) – избыточным ( ), следовательно

, (1.2)

Очевидно,

. (1.3)

В гидравлических расчётах величину нормального атмосферного давления считают равной =98100 Па.

Из формулы (1.3) видно, что в зависимости от соотношения между и избыточное давление может быть и положительной, и отрицательной величиной. Положительное избыточное давление называют манометрическим, а отрицательное – вакуумметрическим. Приборы, применяемые для измерения + и - , называют соответственно манометрами и вакуумметрами.

По принципу действия манометры и вакуумметры делятся на две группы: жидкостные и механические.

Жидкостный манометр (пьезометр) представляет собой стеклянную трубку, верхний конец которой открыт в атмосферу, а нижний присоединён к точке, где измеряется манометрическое давление.

Манометрическое давление, выраженное через показания манометра, равно:

, (1.4)

где - объемный вес жидкости;

- пьезометрическая высота, т.е. высота, отсчитываемая от точки подключения пьезометра до уровня жидкости в нём.

Действие механических приборов основано на деформации под действием давления упругого элемента (пружины или мембраны). Заметим, что пружинный манометр показывает давление в точки жидкости на уровне оси вращения его стрелки. Если высотное положение оси вращения стрелки и точки подключения манометра не совпадает (рис 1.1), в показание манометра ( ) вводят поправку ( ).

Для случая, изображённого на рис.1.1,

, (1.5)

где - превышение оси вращения стрелки манометра над точкой его подключения, М.

Рисунок 1.1 ─ Схема установки для экспериментального подтверждения

закона Паскаля

1-цилиндрический резервуар; 2-предохранительный клапан; 4-шкала; 5-пьезометр (водомерная трубка); 6-вентиль для сброса избыточного давления; 7-вентиль для подачи сжатого воздуха

В данной лабораторной работе предусмотрено измерение манометрического давления пружинными манометрами.

Когда на покоящуюся жидкость действует только сила тяжести, распределение гидростатического давления по глубине (рис. 1.2) описывается основным уравнением гидростатики:

, (1.6)

где - гидростатическое давление в жидкости на глубине , Па;

- внешнее давление, т.е. гидростатическое давление на свободной поверхности жидкости, Па;

- глубина погружения в жидкость рассматриваемой точки, М;

- весовое давление, т.е. гидростатическое давление, создаваемое весом столба жидкости, Па.

Из уравнения (1.6) видно, что при и давление с изменением величины изменяется по линейному закону (см. рис. 1.2). Вычислив по уравнению давление в двух точках, заглублённых на разную величину , можно построить диаграмму распределения гидростатического давления по глубине, называемую эпюрой гидростатического давления (см. рис. 1.2).

Из уравнения (1.6) следует, что внешнее давление в покоящейся жидкости передаётся во все точки её объёма без изменения (см. рис. 1.2). Это следствие, вытекающее из уравнения (1.6), называют законом Паскаля. Справедливость этого закона предстоит проверить опытным путём в данной работе.

Цель работы: 1. Измерить с помощью пружинных манометров гидростатическое давление в трёх точках (А, В, С), заглублённых на различную величину под уровень жидкости, находящейся в абсолютном покое под действием силы тяжести;

2. Подтвердить на основании опытных данных закон Паскаля;

3. Построить по данным опыта №2 в масштабе эпюру манометрического давления по глубине .

Рис 1.2 ─ К закону Паскаля и его экспериментальному подтверждению

Описание установки. Установка (см. рис. 1.1) представляет собой толстостенный стальной цилиндр 1, частично заполненный водой, уровень которой измеряется водомерной трубкой 5 со шкалой 4.

Для изменения гидростатического давления над свободной поверхностью жидкости (в т. А) и в точках В и С, заглублённых под уровень соответственно на и , подключены пружинные манометры , , .

В пространство над свободной поверхностью можно подавать сжатый воздух от компрессора (на рис. не показан) по трубопроводу 3 открытием вентиля 7. Для сброса избыточного гидростатического давления в цилиндре служит вентиль 6. В крышке цилиндра имеется предохранительный клапан 2, отрегулированный на давление 500 кПа.