Рідиною називають фізичне тіло, що володіє властивістю плинності, тобто здатністю необмежено змінювати свою форму під дією як завгодно малих сил. На відміну від газу, рідина мало змінює свою щільність при зміні тиску.
Рідини діляться на краплинні і газоподібні. Крапельна рідина в посудині приймає форму судини і утворює вільну поверхню. Газоподібна рідина приймає форму судини і заповнює весь його обсяг.
Краплинні рідини, такі, як вода, гас, бензин, нафту, ртуть та інші, в стані невагомості утворюють краплі. Газоподібні рідини - повітря та інші гази в стані невагомості крапель не мають.
Гідравліка займається вивченням крапельних рідин, однак її основні закони можна застосовувати і при вивченні газів, що знаходяться в стані спокою або рухаються зі швидкостями до 80 - 100 м / с.
Надалі під терміном «рідина» будемо мати на увазі головним чином крапельну рідина, а так само газоподібну рідина при малій зміні її щільності.
Рідини мають ряд властивостей, притаманних усім фізичним тілам - масою, вагою і інші, а так само властивостями, характерними тільки для рідин, знання яких необхідно при розгляді наступного матеріалу.
Щільність рідини - це кількість маси m. укладену в одиниці об'єму W однорідного рідкого тіла
Одиницею вимірювання щільності в системі СІ є 1 кг / м 3. Наприклад, середнє значення щільності для бензину = 710 кг / м 3. для нафти = 800 кг / м 3. щільність дистильованої води при 4 ° С і нормальному барометричний тиск, = 1000 кг / м 3. ртуть має щільність = 13600 кг / м 3. З ростом тиску, щільність рідин збільшується, а при зростанні температури, як правило, зменшується.
Питома вага - це відношення ваги рідини G. тобто сили тяжіння, що діє на рідину, до її обсягу W
В системі СІ одиницею питомої ваги є 1 Н / м 3. У випадках, коли питома вага вимірюється в кгс / м 3 (система МКГСС), чисельні значення щільності і питомої ваги збігаються. Наприклад, питома вага чистого дистильованої води при температурі 4 ° С і нормальному барометричний тиск становить = 9810 Н / м 3. Звичайна прісна вода (річкова, колодязна, водопровідна) за рахунок розчинних в ній різних речовин дещо важче дистильованої води. Однак ця різниця невелика. Тому в практиці гідравлічних розрахунків питома вага прісної води без суттєвої похибки приймається рівним питомій вазі дистильованої води. Питома вага морської води в залежності від її солоності на 2..3% вище питомої ваги дистильованої води.
Між щільністю і питомою вагою існує прямий взаємозв'язок. Питома вага може бути виражений твором щільності на прискорення сили тяжіння g:
Звідки щільність рідини або будь-якого іншого речовини може бути визначена зі співвідношення його питомої ваги до прискорення сили тяжіння:
Стисливість - це властивість рідини зменшувати свій об'єм під впливом зовнішніх сил. Незважаючи на це, рухливість молекул в рідинах невелика, рідини вдається помітно стиснути тільки за допомогою дуже великих тисків. Рідини мають незначною сжимаемостью. Стисливість рідини характеризується коефіцієнтом об'ємного стиснення.
Він являє собою відносне зменшення об'єму рідини при підвищенні тиску на одну одиницю
де - початковий обсяг рідкого тіла, - абсолютне зменшення об'єму рідини, - повний приріст тиску.
Розмірність коефіцієнта в системі СІ - м 2 / Н або 1 / Па.
Краплинні рідини на відміну від газів роблять значний опір стискає силам і тому мають дуже малі значення коефіцієнтів об'ємного стиснення. Наприклад, для прісної води м 2 / Н.
Через малості рідин останні вважаються практично нестисливими, і в багатьох інженерних розрахунках властивістю стисливості рідини нехтують.
Величина, зворотна називається модулем пружності Е:
Для прісної води Н / м 2.
Температурне розширення - це властивість рідини змінювати свій об'єм при зміні температури. Це властивість кількісно характеризується коефіцієнтом температурного розширення. який виражає відносне збільшення об'єму рідини при підвищенні її температури на 1 ° С
Тут - початковий обсяг рідкого тіла, - повний приріст об'єму рідини, - підвищення температури. Одиниця виміру - .
Коефіцієнт температурного розширення води збільшується зі зростанням тиску і температури, для більшості інших крапельних рідин, зі збільшенням тиску зменшується. Величина у крапельних рідин відносно мала, і це дозволяє в багатьох практичних розрахунках нехтувати температурним розширенням. Наприклад, для води в межах температур від 10 до 20 о С і тиску в 1 атмосферу дорівнює 0.00015 1 / о С. Для нафти і нафтопродуктів = 0.00060 ... 0.00085 1 / о С.
В'язкість або внутрішнє тертя - це властивість рідини чинити опір при відносному зсуві її шарів. Опір середовища при зсуві пов'язано з виникненням дотичних напружень.
Вперше гіпотезу про внутрішнє тертя в рідинах сформулював Ісаак Ньютон (1687год).
Мал. 1.1 Відносне зміщення двох сусідніх шарів рідини
Сутність цієї гіпотези полягає в наступному: сила внутрішнього тертя, що виникає між сусідніми шарами рідини a і b (рис.1.1), при їх відносному зміщенні, прямо пропорційна швидкості руху і площі їх взаємодії, обернено пропорційна відстані між шарами і залежить від роду рідини, тобто
де Т - сила опору зрушенню шарів, - поверхня, на якій відбувається силове взаємодія, du - різниця швидкостей руху сусідніх шарів, dh - відстань між шарами рідини, - коефіцієнт пропорційності, що характеризує в'язкі властивості даної рідини.
Вперше гіпотеза Ньютона була офіційно підтверджена професором Н.П.Петровим (1883 г.), і з цієї пори залежність (1.8) стала іменуватися законом Ньютона для тертя рідини.
Розділимо праву і ліву частини формули (1.8) на і позначимо Т / = t, тоді
де t - питома сила тертя, або дотичні напруження, Н / м 2.
Ця залежність називається формулою проф. Петрова. Відношення називається градієнтом швидкості, який показує зміну швидкості зсуву шарів рідини на одиницю відстані в поперечному напрямку. З формули Ньютона видно, що при нульовій різниці швидкостей (du = 0, наприклад, в яка покоїться рідини) сили внутрішнього тертя не виявляються.
Коефіцієнт пропорційності в наведених формулах характеризує абсолютну, або динамічну в'язкість рідини. В'язкішим рідин відповідає більш високі значення.
Розмірність коефіцієнта в системі СІ - Паскаль-секунда (Па × с) = Н × с / м 2 = кг / (Па × с). До 1980 року використовувалася одиниця - Пуаз (П) .1 П = 0.1 Па × с (в честь французького дослідника Ж. Пуазейля).
Кинематическим коефіцієнтом в'язкості називається ставлення динамічного коефіцієнта в'язкості до щільності даної рідини, тобто
Одиницею вимірювання u в системі СІ є м 2 / с. До 1980 року в якості одиниці вимірювання u використовувалися Стокс (на честь англійського фізика Д. Стокса). 1ст = 10 -4 м 2 / с.
Величина, зворотна коефіцієнту динамічної в'язкості називається плинністю.
При шаруватому русі крапельної рідини в'язкість проявляється завдяки силам молекулярного зчеплення. Зі збільшенням температури ці сили зменшуються, тому в'язкість істотно падає.
Зміна в'язкості відбувається і при зміні тиску на рідину. Однак в межах тисків до 10,1 МПа (100 атмосфер) це зміна незначно і в практичних розрахунках їм зазвичай нехтують.
Мал. 1.2 Вискозиметр Енглера
Умовна в'язкість досліджуваної рідини ( "ВУ"), виражена в градусах Енглер (про Е), знаходиться зі співвідношення:
де t1 - час закінчення досліджуваної рідини в обсязі 200 см 3. t2 - час закінчення дистильованої води, взятої в тому ж обсязі.
В'язкість рідини в градусах Енглер зазвичай визначається при температурі 20 о С. Для підтримки постійної температури протягом усього досвіду вискозиметр забезпечений водяний ванній, обігрів якої до заданої температури здійснюється за допомогою газового пальника або електричного підігрівача.
Для перерахунку градусів Енглера або градусів "ВУ" в Стокс користуються емпіричною формулою Уббеллоде
Динамічний коефіцієнт в'язкості відповідно до формули (1.10) визначається як
Крім розглянутих фізичних властивостей рідин в деяких практичних завданнях для крапельних рідин доводиться враховувати тиск насичених парів, розчинність газів, піноутворення, поверхневий натяг, капілярність. Чисельні величини цих параметрів при необхідності можуть бути знайдені в довідниках фізичних або теплофізичних величин.
Рідина, що володіє всім комплексом розглянутих вище фізичних властивостей, є реальною.
З точки зору гідравліки одним з найважливіших властивостей реальної рідини є в'язкість, тому реальні рідини часто називають ще грузлими або ньютоновскими (оскільки прояв сил в'язкості описується законом Ньютона).
Поведінка реальної рідини при різноманітних зовнішніх умовах може виявитися досить складним, важкодоступним для вивчення і математичного опису (наприклад, бурхливий струмок). Тому для отримання наближених рішень, часто підлягають подальшому уточненню, в гідравліки з успіхом застосовується модель так званої досконалої або ідеальної рідини.
Досконалої називається умовна абсолютно рухома (тобто позбавлена в'язкості) абсолютно нестисливої, що не змінює обсягу зі зміною температури рідина, абсолютно нездатна чинити опір розриву.
Для досконалої рідини:.
У досконалої рідини не може існувати ні дотичних, ні напруг, що розтягують.
Крім в'язкою і досконалої рідин в гідравліки доводиться мати справу з так званим аномальними або неньютоновскими рідинами, т. Е. Такими, які не підкоряються закону в'язкого тертя Ньютона.
Дослідним шляхом встановлено, що рух неньютоновскіх рідин починається тільки після того, як дотичні напруження досягнуть деякого граничного мінімального значення (так зване початкове напруга зсуву). При менших напругах ці рідини не течуть, а відчувають тільки пружні деформації.
Для цього типу рідин
Ця формула отримана Бингемом, тому неньютонівські рідини називають бінгемовскімі.
Прикладом аномальних рідин можуть служити колоїди (холодці), нафтопродукти при температурі, близької до температури застигання, густі глинисті і грязьові розчини і т. П.