Рідина, тиск, швидкість - основи закону сантехніки
Сантехніка, здавалося б, не дає особливого приводу виникають в нетрі технологій, механізмів, займатися скрупульозно розрахунками для вибудовування складних схем. Але таке бачення - це поверхневий погляд на сантехніку. Реальна сантехнічна сфера нітрохи не поступається за складністю процесів та, також як багато інших галузей, вимагає професійного підходу. У свою чергу професіоналізм - це солідний багаж знань, на яких ґрунтується сантехніка. Зануримося ж (хай не надто глибоко) в сантехнічний навчальний потік, щоб наблизитися на крок до професійного статусу сантехніка.
вміст публікації
закон Паскаля
Фундаментальна основа сучасної гідравліки сформувалася, коли Блез Паскаль вдалося виявити, що дія тиску рідини незмінно в будь-якому напрямку. Дія рідинного тиску направлено під прямим кутом до площі поверхонь.
Якщо вимірювальний пристрій (манометр) розмістити під шаром рідини на певній глибині і направляти його чутливий елемент в різні боки, показання тиску залишатимуться незмінними в будь-якому положенні манометра.
Тобто тиск рідини ніяк не залежить від зміни напрямку. Але тиск рідини на кожному рівні залежить від параметра глибини. Якщо вимірювач тиску переміщати ближче до поверхні рідини, показання будуть зменшуватися.
Відповідно, при зануренні вимірювані свідчення будуть збільшуватися. Причому в умовах подвоєння глибини, параметр тиску також подвоїться.
Закон Паскаля наочно демонструє дію тиску води в самих звичних умовах для сучасного побуту
Звідси логічний висновок: тиск рідини слід розглядати прямо пропорційною величиною для параметра глибини.
Як приклад розглянемо прямокутний контейнер розмірами 10х10х10 см., Який заповнений водою на 10 см глибини, що по об'ємної складової дорівнюватиме 10 см3 рідини.
Цей обсяг води в 10 см3 важить 1 кг. Використовуючи наявну інформацію і рівняння для розрахунку, нескладно вирахувати тиск на дні контейнера.
Наприклад: вага стовпа води заввишки 10 см і площею поперечного перерізу 1 см2 становить 100 г (0,1 кг). Звідси тиск на 1 см2 площі:
P = F / S = 100/1 = 100 Па (0,00099 атмосфери)
Якщо глибина стовпа води потроїться, вага вже становитиме 3 * 0,1 = 300 г (0,3 кг), і тиск, відповідно збільшиться втричі.
Таким чином, тиск на будь-якій глибині рідини рівноцінно вазі стовпа рідини на цій глибині, поділений на площу поперечного перерізу стовпа.
Тиск водяного стовпа: 1 - стінка контейнера для рідини; 2 - тиск стовпа рідини на донну частину судини; 3 - тиск на підставу контейнера; А, С - області тиску на боковини; В - прямий водяний стовп; Н - висота стовпа рідини
Обсяг рідини, що створює тиск, називається гідравлічний напір рідини. Тиск рідини завдяки гідравлічному напору, також залишається залежним від щільності рідини.
Сила тяжіння
Гравітація - одна з чотирьох сил природи. Міць гравітаційної сили між двома об'єктами залежить від маси цих об'єктів. Чим масивніше об'єкти, тим сильніше гравітаційне тяжіння.
Коли виливається вода з контейнера, гравітація Землі притягує воду до земної поверхні. Можна спостерігати той же самий ефект, якщо на різних висотах розмістити два відра води і з'єднати їх трубкою.
Досить поставити хід рідини в трубці з одного відра в інший, після чого спрацює сила гравітації, і процес переливу продовжиться мимовільно.
Гравітація, прикладені сили і атмосферний тиск є статичними чинниками, які в рівній мірі відносяться до рідин, що знаходяться в спокої або в русі.
Сили інерції і тертя є динамічними факторами, які діють тільки на рідини в русі . Математична сума сили тяжіння, прикладеної сили і атмосферного тиску, являє собою статичний тиск, отримане в будь-якій зоні рідини і в будь-який момент часу.
статичний тиск
Статичний тиск існує на додаток до будь-яких динамічним факторам, які також можуть бути присутніми одночасно. Закон Паскаля говорить:
Тиск, що створюється рідиною, діє рівноцінно в усіх напрямках і під прямим кутом до містяться поверхонь.
Це визначення стосується тільки рідин, що знаходяться в повному спокої або практично нерухомих. Визначення справедливо також тільки для факторів, що становлять статичний гідравлічний напір .
Очевидно: коли швидкість руху стає фактором, в розрахунок береться напрямок. Сила, прив'язана до швидкості, також повинна мати напрямок. Тому закон Паскаля, як такої, не застосовується до динамічних факторів потужності потоку рідини.
Швидкість руху потоку залежить від багатьох факторів, включаючи пошарове розподіл рідинної маси, а також опір, що створюється різними факторами
Динамічні моменти інерції і тертя прив'язані до статичних факторів. Швидкісний напір і втрати тиску прив'язані до гідростатичного напору рідини. Однак частина швидкісного напору завжди може бути перетворена в статичний напір.
Сила, яка може бути викликана тиском або напором при роботі з рідинами, необхідна, щоб почати рух тіла, якщо воно знаходиться в стані спокою, і присутній в тій чи іншій формі, коли рух тіла заблоковано .
Тому щоразу, коли задана швидкість руху рідини, частина її вихідного статичного напору використовується для організації цієї швидкості, яка в подальшому існує вже як напірна швидкість.
Обсяг і швидкість потоку
Обсяг рідини, що проходить через певну точку в заданий час, розглядається як обсяг потоку або витрата. Обсяг потоку зазвичай виражається літрами в хвилину (л / хв) і пов'язаний з відносним тиском рідини. Наприклад, 10 літрів в хвилину при 2,7 атм.
Швидкість потоку (швидкість рідини) визначається як середня швидкість, при якій рідина рухається повз заданої точки. Як правило, виражається метрами в секунду (м / с) або метрами в хвилину (м / хв). Швидкість потоку є важливим фактором при калібрування гідравлічних ліній.
Обсяг і швидкість потоку рідини традиційно вважаються «родинними» показниками. При однаковому обсязі передачі швидкість може змінюватися в залежності від перетину проходу
Обсяг і швидкість потоку часто розглядаються одночасно. За інших рівних умов (при незмінному обсязі введення), швидкість потоку зростає в міру зменшення перетину або розміру труби, і швидкість потоку знижується в міру збільшення перетину.
Так, уповільнення швидкості потоку відзначається в широких частинах трубопроводів, а у вузьких місцях, навпаки, швидкість збільшується. При цьому обсяг води, що проходить через кожну з цих контрольних точок, залишається незмінним.
принцип Бернуллі
Широко відомий принцип Бернуллі вибудовується на тій логіці, коли підйом (падіння) тиску плинної рідини завжди супроводжується зменшенням (збільшенням) швидкості. І навпаки, збільшення (зменшення) швидкості рідини призводить до зменшення (збільшення) тиску.
Цей принцип закладений в основі цілого ряду звичних явищ сантехніки. Як тривіального прикладу: принцип Бернуллі «винен» в тому, що завісу душа «втягується всередину», коли користувач включає воду.
Різниця тисків зовні і всередині викликає силове зусилля на завісу душа. Цим силовим зусиллям завісу і втягується всередину.
Іншим наочним прикладом є флакон духів з розпилювачем, коли натиском кнопки створюється область низького тиску за рахунок високої швидкості повітря. А повітря захоплює за собою рідину.
Принцип Бернуллі для літакового крила: 1 - низький тиск; 2 - високий тиск; 3 - швидке обтікання; 4 - повільне обтікання; 5 - крило
Принцип Бернуллі також показує, чому вікна в будинку мають властивості мимовільно розбиватися при ураганах. У таких випадках вкрай висока швидкість повітря за вікном призводить до того, що тиск зовні стає набагато менше тиску всередині, де повітря залишається практично без руху.
Істотна різниця в силі просто виштовхує вікна назовні, що призводить до руйнування скла. Тому коли наближається сильний ураган, по суті, слід відкрити вікна якомога ширше, щоб зрівняти тиск всередині і зовні будівлі.
І ще парочка прикладів, коли діє принцип Бернуллі: підйом літака з подальшим польотом за рахунок крил і рух «кривих куль» в бейсболі.
В обох випадках створюється різниця швидкості проходить повітря повз об'єкта зверху і знизу. Для крил літака різниця швидкості створюється рухом закрилків, в бейсболі - наявністю хвилястою кромки.
