Сила статического давления жидкости на плоскую стенку

Если на плоскую стенку АВ (рис. 1.2), наклоненную под углом a к горизонту, с одной стороны действует жидкость, а с другой — атмо­сферное давление, то скалярная величина равнодействующей сил давления, воспринимаемая стенкой,

(1.34)

где р_Т — абсолютное давление в центре тяжести смоченной части стенки (точка T на рис. 1.2); р_a— атмосферное давление; s—площадь смо­ченной части стенки; Dp = р₀ - Р_а = rgh — разность между абсолют­ным давлением p₀ на свободной поверхности жидкости и атмосферным давлением; h_T — расстояние по вертикали от центра тяжести смоченной части стенки до свободной поверхности жидкости; h_П — расстояние по вертикали от свободной поверхности до пьезометрической плоскости (h_T >0; h_П >0 или h_П <0).

Точка пересечения линии действия силы c плоскостью стенки называется центром давления (точка D нарис. 1.2).

Положение центра давления относительно пьезометрической плос­кости определяется выражением

, (1.35)

где l_D и l_T — соответственно расстояния до центра давления и центра тяжести, отсчитываемые вдоль плоскости стенки от линии пересечения ее с пьезометрической плоскостью (см. рис. 1.2); J — момент инерции площади смоченной части стенки относительно горизонтальной оси, про­ходящей через ее центр тяжести.

Рис. 1.2. Наклонная плоская стенка АВ, на которую действует жидкость, нахо­дящаяся в закрытом резервуаре, с силой Р

Расстояние между центром давления и центром тяжести равно

(1.36)

где l_T можно найти по формуле (см. рис. 1.2)

. (1.37)

Возможны три варианта положения центра давления относительно центра тяжести:

1) при h_П + h_T > 0 центр давления лежит ниже центра тяжести, а сила Р действует на стенку со стороны жидкости;

2) при h_П + h_T < 0 (вакуум в центре тяжести) центр давления ле­жит выше центра тяжести, а сила Р действует со стороны несмоченной поверхности стенки;

3) при h_П + h_T = 0 сила Р = 0, поэтому понятие центра давления теряет смысл; в этом случае верхняя часть стенки находится под дейст­вием сил, направленных внутрь жидкости, а нижняя — от нее, поэтому возникает пара сил.

Если ось l является осью симметрии стенки, то центр давления (точка D) лежит на этой оси.

Для несимметричных стенок нужно найти горизонтальное смещение центра давления Dх', определяемое по формуле

, (1.38)

где — J_{x' l'} центробежный момент инерции смоченной площади относи­тельно осей х' и l' (ось l' совпадает по направлению с осью l, но ее начало отсчета лежит в точке Т).

Вопросы по теме 1.4.

1. Как определяется равнодействующая сил давления на твердую поверхность и что понимается под символом р_T?

2. Может ли равнодействующая сил давления действовать с внешней стороны твердой поверхности, где жидкости нет?

3. Что такое центр давления?

4. Может ли центр давления располагаться выше центра тяжести смо­ченной части плоской поверхности?