Skystis - tai medžiaga, kuri pusiausvyros būvyje nesugeba priešintis tangentiniams ir tempimo įtempimams. Skysčiai dalinami į dvi pagrindines grupes: lašelinius skysčius ir dujas. Riba tarp dujų ir skysčių nusakoma greičiu ir slėgiu: kai greitis viršija 10 m/s arba slėgis viršija 10 MPa, negalima naudoti skysčių mechanikos dėsnių, o reikia taikyti aerodinamikos principus. Yra du esminiai skirtumai tarp lašelinių skysčių ir dujų: lašelinių skysčių tūris yra fiksuotas ir mažai priklauso nuo slėgio bei temperatūros, o patalpinti inde jie formuoja laisvą paviršių. Dujos, priešingai, neturi fiksuoto tūrio (jų tūris atvirkščiai proporcingas slėgiui: Pv = const) ir neturi laisvo paviršiaus.
Skysčio savybė priešintis formos kitimui vadinama skysčio klampumu. Hidraulika nagrinėja lašelinių skysčių mechanikos dėsnius, tuo tarpu dujinio skysčio mechanika yra sudėtingesnė, nes reikia atsižvelgti į jo suspaudžiamumą, o vidiniai įtempimai ir tūris labai priklauso nuo skysčio šiluminės būklės, apibūdinamos temperatūra.
Skysčio Savybės
Tankis
Skysčio tankiu vadinama skysčio tūrio vieneto masė (ρ = m/V, matuojamas kg/m³). Tai pagrindinė skysčio charakteristika. Pagal techninę matavimo vienetų sistemą, pagrindine skysčių charakteristika laikoma skysčio masės tūrio vieneto svorio jėga (γ = G/V, matuojamas N/m³), kur G - tūrio V užimančio skysčio svorio jėga, išreikšta niutonais, o m - tą tūrį užimančio skysčio masė, išreikšta kilogramais.
Suspaudžiamumas
Suspaudžiamumas - tai skysčio sugebėjimas priešintis tūrio pakitimui veikiant išorinėms jėgoms (β = dV/Vdp, matuojamas m²/N), kur dV - absoliutus tūrio pokytis, kintant slėgiui dp.
Temperatūrinis Išsiplėtimas
Temperatūrinio išsiplėtimo koeficientu laikomas nykstamai mažas santykinis tūrio pokytis dV/V, kintant temperatūrai nykstamai mažu dydžiu dT (βr = dV/VdT, matuojamas 1/K). Čia dV - absoliutus tūrio pokytis, kintant temperatūrai dT.
Klampa
Klampa - skysčio savybė priešintis tangentiniams įtempimams jam judant. Tangentiniai įtempimai sluoksnyje Δy yra: t = m(Du/Dy) [N/m²], kur Du/Dy - greičio gradientas, o m - propocingumo koeficientas, dinaminė klampa, kurios matavimo vienetai [Ns/m²]. Ramybėje esančiam skysčiui, kai u=0 ir du/dy=0, tangentiniai įtempimai taip pat lygūs nuliui (t=0). Klampa atsiranda tik judančiame skystyje. Kai sluoksniai juda vienodu greičiu (u=const, du/dy=0), vidaus trinties nebūna.
Praktikoje dažnai naudojamas kinematinės klampos koeficientas (ν = m/ρ, matuojamas m²/s). Kitas naudojamas kinematinės klampos koeficiento matavimo vienetas - Stoksas (1 St = 1 cm²/s = 0.0001 m²/s). Skysčio klampa priklauso nuo skysčio tipo, temperatūros (T) ir slėgio (p). Didėjant temperatūrai, lašelinių skysčių klampa mažėja, o dujinių - didėja.
Idealus Skystis
Idealiu skysčiu vadinamas gamtoje neegzistuojantis skystis, pasižymintis absoliučiu dalelių judrumu (tarp dalelių nėra trinties jėgų, jis neklampus) ir visiškai nesuspaudžiamas. Idealaus skysčio sąvoką įvedė L. Euleris.
Jėgos Skystyje
Skystį galime įsivaizduoti kaip materialių taškų visumą. Jėgos, veikiančios šias daleles, skirstomos į dvi grupes: paviršines ir tūrio (masės) jėgas.
Paviršinės Jėgos
Paviršinės jėgos tolygiai pasiskirsto visame skysčio paviršiuje. Jos gali būti išorinės (pvz., siurblio stūmoklio slėgis) arba vidinės, tiesiogiai veikiančios kiekvieną skysčio dalelę. Vidinės ir paviršinės jėgos atsiranda dėl gretimų dalelių sąveikos. Pagrindinės ir svarbiausios paviršinės jėgos hidraulikoje yra klampumo ir slėgio jėgos. Prie paviršinių jėgų taip pat priskiriamos tamprumo ir paviršiaus įtempimo jėgos.
Tūrio Jėgos
Tūrio jėgos veikia visas daleles, iš kurių susideda tiriamasis skystis. Jeigu skystis yra vienalytis, tūrio jėgos proporcingos skysčio tūriui, todėl jos kartais vadinamos tūrio jėgomis. Tūrio jėgoms priskiriamos sunkio ir inercijos jėgos.
Skysčio Slėgis
Slėgis (p) apibrėžiamas kaip jėgos (dF) normalioji dedamoji, veikianti tam tikrą plotą (dA): p = lim (dF/dA). Hidrostatinis slėgis yra vektorinis dydis, pasižymintis dviem savybėmis: kryptimi ir dydžiu.
Hidrostatinio Slėgio Savybės
- Kryptis: Hidrostatinis slėgis yra statmenas slegiamam paviršiui ir nukreiptas į jį. Jei jėga, veikianti plotą, nebūtų statmena, ji galėtų būti išskaidyta į normaliąją ir tangentinę dedamąsias. Kadangi skystis negali priešintis kirpimui (tangentinei jėgai), skysčio pusiausvyra sutriktų. Taigi, skystis bus pusiausviras tik tada, kai jėga ir slėgis yra statmeni paviršiui.
- Dydis: Hidrostatinis slėgis taške visomis kryptimis yra vienodas. Tai įrodoma nagrinėjant mažą skystinę piramidę.
Matavimo vienetai: [N/m²], [Pa], toras, [mmHg]. Slėgį, išreikštą skysčio stulpelio aukščiu, randame H = p/ρg. Slėgio tipai yra: absoliutinis, manometrinis ir vakuumas.
Slėgio Vienetai
Slėgio vienetai yra įvairūs, atsižvelgiant į skirtingus slėgio šaltinius ir atitinkamų fizikinių dydžių vienetus:
- Paskalis (Pa): SI slėgio vienetas, atitinkantis niutoną/m². Kadangi vienas Pa yra gana mažas, praktikoje dažniau vartojami kPa ir MPa.
- Atmosfera (atm): Standartinis atmosferos slėgis, lygus 101,325 kPa.
- Baras (bar): Metrinis slėgio vienetas. 1 baras = 0,1 MPa.
- Psi (pounds per square inch): Svarai kvadratiniame colyje, daugiausia naudojamas JAV. 1 psi = 6,895 kPa.
- Vandens stulpelio coliai (inH₂O): Slėgis, veikiantis 1 colio aukščio vandens stulpelio apačioje. 1 inH₂O = 249 Pa.
- Vandens metrai (mH₂O): Dažnai naudojamas panardinimo tipo vandens lygio davikliuose.
Slėgio Tipai
- Manometrinis slėgis: Pagrįstas faktiniu atmosferos slėgiu. Jei nepridėtas joks kitas slėgis, manometrinis slėgis lygus nuliui. Neigiamas rodmuo reiškia vakuumą.
- Sandarus (absoliutus) slėgis: Jutiklio diafragmoje esantis slėgis, kurio bazinis atskaitos taškas yra standartinis atmosferos slėgis. Gali būti teigiamas (viršslėgis) arba neigiamas (dalinis vakuumas).
- Absoliutinis slėgis: Slėgis, pagrįstas absoliučiu vakuumu. Jis visada yra neigiamas arba lygus nuliui.
- Slėgio skirtumas: Skirtumas tarp matavimo angų slėgių. Dažnai naudojamas sandarių talpyklų lygiui matuoti ir kaip pagalbinė priemonė srauto matuokliams.
Pagrindiniai Hidraulikos Dėsniai
Bernulio Lygtis
Eulerio lygtis yra diferencialinė lygtis, apibūdinanti skysčio judėjimą. Remiantis ja, išvesta Bernulio lygtis, kuri apibrėžia energijos tvermės dėsnį skysčio tėkmėje. Diferencinėje formoje ji atrodo taip: dU = 1/ρ * dp + d(u²/2).
Kai skystis veikia tik sunkio jėgos, o z ašis nukreipta į viršų, dU = -gdz. Tuomet Bernulio lygtis įgauna pavidalą: z + p/(ρg) + u²/(2g) = const. Čia:
- z - padėties aukštis (atstumas nuo atskaitomosios plokštumos).
- p/(ρg) - slėgio aukštis.
- u²/(2g) - greičio aukštis.
Visų trijų narių suma vadinama hidrodinaminiu aukščiu.
Pagrindinis Hidrostatikos Dėsnis
Pagrindinis hidrostatikos dėsnis teigia, kad pusiausvyros būklėje esantis skystis turi potencinės energijos ir gali atlikti tam tikrą darbą. Energetiniu požiūriu, tai yra pusiausviro skysčio potencinės energijos tvermės dėsnis. Jis išvedamas iš Eulerio lygčių, kai skysčio greitis (u) yra pastovus.
Bet kuriems dviem pusiausviro skysčio taškams galioja lygtis: z₁ + p₁/(ρg) = z₂ + p₂/(ρg) = const. Tai reiškia, kad visuose pusiausviro skysčio taškuose slėgis kinta vienodai.
Paskalio Dėsnis
Paskalio dėsnis teigia, kad bet koks slėgio pakitimas viename pusiausviro skysčio taške vienodai persiduoda ir į kitus taškus. Šiuo dėsniu pagrįstas hidraulinių presų, keltuvų ir kitų hidraulinių mašinų veikimas.
Skysčio Tėkmė
Skysčio judėjimą jį ribojančių paviršių atžvilgiu vadiname tekėjimu. Skysčio tėkmė apibūdinama skerspjūvio plotu, debiu ir vidutiniu tėkmės greičiu. Taip pat naudojami vietinis skysčio greitis (u), skysčio slėgis (p), hidraulinis spindulys (R) ir šlapiasis perimetras.
Tėkmės Vientisumo Lygtis
Tėkmės vientisumo lygtis nusako, kad bet kurio skerspjūvio tėkmės vamzdyje debito (Q) arba tūrinio srauto (udA) reikšmė yra pastovi: u₁dA₁ = u₂dA₂ = ... = uᵢdAi = udA = const.
Hidrauliniai Nuostoliai
Tekant realiam skysčiui, dalis mechaninės energijos dėl trinties jėgų prarandama ir virsta šilumine energija. Šie energijos nuostoliai vadinami hidrauliniais nuostoliais (hw). Jie skirstomi į:
- Kelio nuostoliai (hₗ): Atsiranda dėl trinties tarp skysčio dalelių ir tarp skysčio bei kieto paviršiaus. Jei tekėjimas yra nusistovėjęs ir tolyginis, šie nuostoliai proporcingi skysčio nueitam keliui.
- Vietiniai nuostoliai (h<0xE1><0xB5><0xA5>): Atsiranda dėl staigių tėkmės krypties ar skerspjūvio ploto pasikeitimų, greičio lauko pakitimų. Jie paprastai koncentruojasi nedideliame ruože.
Bendri hidrauliniai nuostoliai yra šių dviejų tipų nuostolių suma: h<0xE1><0xB5><0xA1> = hₗ + h<0xE1><0xB5><0xA5>.
Tekėjimo Rėžimai
O. Reinoldsas bandymais nustatė, kad egzistuoja du pagrindiniai tekėjimo režimai: laminarinis ir turbulentinis.
- Laminarinis tekėjimas (Re < 2300): Kai skysčio tekėjimo greitis mažas, skysčio dalelės juda tiesiai, nesimaišydamos.
- Turbulentinis tekėjimas (Re > 4000): Kai greitis didelis, skysčio dalelės juda netvarkingai, maišydamosi tarpusavyje ir su vamzdžio sienelėmis.
Tarp šių dviejų režimų yra neapibrėžtas tekėjimo rėžimas (2300 < Re < 4000).
Jėga, Veikianti Plokščią Paviršių
Nagrinėjamo plokščiojo paviršiaus plotą A skystis veikia atstojamąja jėga F. Šis plotas gali būti išskaidomas į mažus plotelius dA, kuriuos atitinkamai veikia elementariosios skysčio slėgio jėgos dF. Kadangi paviršius plokščias, visos elementariosios jėgos dF yra lygiagrečios ir nukreiptos statmenai į paviršių. Taigi, ir atstojamoji jėga F yra statmena plokščiajam paviršiui ir nukreipta į jį.
Skysčio slėgio atstojamosios jėgos į plokščią paviršių dydis lygus skysčio hidrostatiniam slėgiui paviršiaus geometriniame centre, padaugintam iš paviršiaus ploto: F = p_c * A.