Что такое давление, гидростатика и барометрическая петля

Что такое давление, гидростатика и барометрическая петля

Сантехника – область хозяйственной деятельности, которую неизменно сопровождают самые разные физические явления. Казалось бы, простой вид деятельности, где требуется всего-то перекачать воду под давлением из одного резервуара в другой. Однако практика не приемлет образ простоты. Как результат, сантехника видится полем деятельности, где присутствует масса физических явлений и каждое требует тщательного изучения. Без определённых знаний, управлять движением и свойствами жидкостей попросту не представляется возможным.

Что такое гидростатика?

Гидростатика — давление, создаваемое неподвижной жидкостью. Жидкие вещества это не только вода. Однако именно на основе исследований и тщательного изучения воды, получено масса полезных для людей сведений. Например:

  • сила действия плотин,
  • свойства плавучести,
  • гидравлическое действие,
  • гидростатическое действие.

Всё это видится важным для изучения в практической плоскости.

Гидростатика — отличный пример дедуктивной математической физики, которую легко понять и полностью изучить, опираясь на несколько основополагающих принципов, где прогнозы согласуются с экспериментом.

Определение жидкости заслуживает тщательного рассмотрения. Несмотря на то, что время не является фактором гидростатики, время  выступает составляющей частью гидростатического равновесия.

Схема гидравлической установки
Схема гидравлической установки: 1 — резервуар с жидкостью; 2 — насос; 3 — предохранительный клапан; 4 — гидравлическое давление; 5 — приводной цилиндр; 6 — возвращаемая жидкость; 7 — привод

Обычно отмечается, что жидкость представляет собой субстанцию, которая не в состоянии противостоять напряжению сдвига, так что факторы давления видятся здесь нормой по отношению к ограничивающим поверхностям.

Наука геология явно показала: существуют вещества, которые способны противостоять усилиям сдвига на коротких промежутках времени.

Эти вещества являются типичными твердыми частицами, но также текут подобно жидкостям на длительных временных интервалах. Примеры таких веществ:

  • воск
  • смола,
  • лёд,
  • и даже камень.

Шарик битума под ударом молотка размазывается на поверхности и течёт месяцы. Лёд – типичное твердое вещество, сформированное ледником, течёт годами. Горная скала «течёт» сотни лет в результате конвекции, происходящей в мантии Земли.

Сдвиговые волны землетрясения с периодами в секунды распространяются глубоко под землёй. Скорость сдвига не может быть строго пропорциональна напряжению, но существует даже при низком напряжении.

Вязкость может быть физическим свойством, которое изменяется в наибольшем числовом диапазоне, конкурируя с электрическим сопротивлением.

В гидростатике есть несколько знакомых тем, которые часто появляются в экспозиции вводной науки и которые также представляют исторический интерес. Например, принципы строения атмосферы.

Атмосферное строение

Атмосфера — масса воздуха, окружающая Землю. Эта воздушная масса простирается вверх на 122 км. Однако область атмосферы для первичного интереса — это совсем небольшая часть, которая начинается от земной поверхности и простирается вверх примерно на 12 км.

Атмосферное давление
Атмосферные слои; 1, 2 — области, входящие в тропосферу, 3 — область атмосферы с нулевым значением давления — виртуальная граница перехода в космическое пространство

Этот слой атмосферы называют тропосфера. Можно условно соорудить трубку сечением 1 см2,  простирающуюся от Земли до «верхней» атмосферы и заполнить воздухом.

Затем измерить вес внутренней массы воздуха в трубке на уровне моря. Измеренное значение составит 0,068 кг. Таким образом, атмосферное давление по уровню моря составляет приблизительно 0,068 кг на каждый см2 площади.

По мере подъема, атмосферное давление уменьшается примерно на 450-500 г на каждые 700 м. Однако, ниже уровня моря этот параметр увеличивается.

Давление под водой отличается от давления в условиях воздушной среды, потому что вес воды добавляется к давлению воздуха.

Атмосферное давление поддаётся измерению любым из нескольких методов. Традиционным лабораторным методом измерения выступает барометр на основе столбика ртути. Высота столбика ртути служит индикатором атмосферного давления.

Ртутный столбик

На уровне моря (при температуре 0°C) столбик ртути достигает высоты приблизительно 760 мм. Этот показатель указывает на величину – 0,068 кг/см2  или 1 psia. Значение ртутного прибора — 760 мм, используется в качестве эталонного стандарта.

Ртутный столбик
Точный ртутный барометр: 1 — отметка 760 мм ртутного столба; 2 — область вакуума; 3 — точка давления воздействия столба атмосферного воздуха на поверхность Земли: 4 — уровень моря; 5 — ртуть; 6 — атмосфера

Другим устройством, которое применяется для измерения атмосферного давления, выступает анероидный барометр. Измерительный прибор  — анероидный барометр, действует на принципах изменения формы металлической ячейки в вакууме.

Тонкий металл анероидной ячейки реагирует на малейшие изменения, создавая эффект движения. Это движение передается через систему рычагов на указатель, который, в свою очередь, показывает величину измеренного давления.

Следует отметить: атмосферное давление не изменяется равномерно с изменением высоты. Показатель давления изменяется быстрее, чем изменяется высота. Атмосферное давление определяется как сила, приложенная на единицу площади, равная весу воздуха над этой площадью.

Измерения проводятся по абсолютной шкале (psia) или шкале калибровки (psiag). Абсолютное и манометрическое давления взаимосвязаны. Абсолютный параметр равен избыточному и атмосферному давлению. На уровне моря атмосферное значение составляет 14,7 psai (1 кг/см2 = 1АТИ = 1 бар).

Абсолютное — это полное текущее давление. А под манометрическим принимается величина, считываемая датчиком. Если на датчик не оказывает влияние сила, отличная от атмосферной силы давления, манометр будет показывать ноль.

При этом абсолютный показатель останется равным 760 мм рт.ст., что соответствует атмосферному давлению в 1 атмосферу (1 кг/см2).

Барометрическая петля

Барометрическая петля представляет собой непрерывный участок питающего водяного трубопровода, который резко поднимается на высоту около 10 метров и затем возвращается обратно к исходному уровню.

Барометрическая петля
Классическая конструкция барометрической петли: 1 — вход питающей воды; 2 — вентиль; 3 — переливной обод: h — размер высоты петли 10,69 метра

Этот вид сантехнической конструкции часто применяется в системе трубопроводов и эффективно защищает от обратного сифонирования. Однако барометрическая петля не защищает от давления против хода.

Действие барометрической петли при защите от обратного сифонирования основано на принципе, согласно которому водяной столб при давлении на уровне моря не поднимается выше 10, 3 метров.

Барометрические петли обычно изготавливают непосредственно в процессе монтажа трубопроводов. Высота классической барометрической петли составляет 10,5 – 10,7 метров.

Гидравлика

Эта конструкция непроизвольно связана с термином — гидравлика. Что такое гидравлика?

Термин позаимствован из греческого языка, где смысл этого слова относился к воде. Первоначально гидравлика охватывала изучение физического поведения воды в состоянии покоя и движения.

Дальнейшее использование расширило значение гидравлики, включив в интерпретацию процесса общее поведение любых жидкостей, несмотря на то, что гидравлика, в первую очередь, касается только движения жидкостей.

Гидравлический цилиндр
Гидравлический цилиндр классическая схема: 1 -отверстие под крышку цилиндра; 2 — поршень; 3 — корпус цилиндра; 4 — порт штоковой камеры цилиндра; 5 — поршневой шток

Гидравлика определяет способы, за счёт которых жидкости действуют внутри резервуаров и труб, касается их свойств и способствует исследованию других способов использования этих свойств. Гидравлика, по сути, рассматривается отраслью техники, в основном связанной с движением жидкостей.

Этот термин обычно применяется к изучению механических свойств воды, других жидкостей и даже газов, когда эффекты сжимаемости малы. Гидравлику разделяют на две области:

  1. Гидростатика
  2. Гидрокинетика.

Гидростатика распространяется на неподвижные жидкости, включает свойства плавучести и флотации, давление плотин и погружаемых устройств, а также свойства гидравлических прессов.

Гидродинамика

К упомянутой группе терминов имеет также отношение термин гидродинамика. Относительно несжимаемые жидкости являются одним из основных объектов гидродинамики. Гидродинамика (исследование жидкостей в движении) связана с изучением трения и турбулентности, возникающих внутри трубопроводов:

  • текущими жидкостями,
  • потоком воды над сливами и соплами.

Также эта наука непосредственно связана с использованием гидравлического давления в конструкциях машин.

Современное развитие гидравлики измеряется сравнительно небольшим отрезком истории. Между тем многие гидравлические принципы успешно использовались в древности.

Так египтяне и персы, индусы и китайцы умели передавать воду по каналам для ирригационных и бытовых целей, используя плотины и шлюзовые ворота для контроля потока.

У древних критян имелась сложная система водопровода. Архимед изучал законы плавающих и погруженных тел. Римляне смогли построить уникальную систему акведуков, чтобы доставлять воду населению древних городов.


На основе материалов: Gaindustries


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *