Гидравлика. Учебное пособие для проведения практических занятий и самостоятельной работы студентов

РЕДАКЦИОННЫЙ 
СОВЕТ 

Председатель 
Л. А. 
ПУЧКОВ 

Зам. 
председателя 
Л.Х. 
ГИТИС 

Члены 
редсовеша 
АЛ. ДМИТРИЕВ 

президент 
МИГУ, 
чл.-корр. РАН 
директор 
Издательства 
«Горная книга» 

академик 
РАЕН 

Б.А. КАРТОЗИЯ 
академик 
РАЕН 

А.В. КОРЧАК 
ректор 
МГГУ, 
академик 
МАН 
ВШ 

М.В. КУРЛЕНЯ 
академик 
РАН 

В Н. ОПАРИН 
чл.-корр. 
РАН, 
директор 
ИГД СО 
РАН 

В. И. ОСИПОВ 
академик 
РАН 

В.Л. ПЕТРОВ 
академик 
МАН 
ВШ 

АД. РУБАН 
чл.-корр. 
РАН, 
директор 
MI/КОН 
РАН 

э.м. СОКОЛОВ 
академик 
МАН 
ВШ 

КН. ТРУБЕЦКОЙ 
академик 
РАН 

В.А. ЧАНТУРИЯ 
академик 
РАН 

ГОРНОЕ 

МАШИНОСТРОЕНИЕ 

В.А. МАЛАШКИНА 

ГИДРАВЛИКА 

Учебное пособие для проведения 
практических занятий 
и самостоятельной работы 
студентов 

Допущено Учебно-методическим объединением 
вузов Российской Федерации по образованию 
в области горного дела в качестве учебного пособия 

для студентов вузов, 
обучающихся по специальности «Безопасность 
технологических процессов и производств 
(в горной промышленности)» направления подготовки 
«Безопасность 
жизнедеятельности» 

И З Д А Т Е Л Ь С Т В О « Г О Р Н А Я К Н И Г А » 

М О С К В А 

2012 

УДК 622.233.6 
ББК33.1 
М 18 

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным 
для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным 
Главным 
государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124—94). 
Санитарно-эпидемиологическое 
заключение Федеральной службы по надзору 
в сфере 
защиты 
прав 
потребителей 
и благополучия 
человека 
№ 
77.99.60.953Д.014367.12.11 

Экспертиза проведена Учебно-метдическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области горного дела (письмо 
№51-83/6 
от 04.07.06) 

Р е ц е н з е н т ы : 
• 
Кафедра Механизации и автоматизации горных и геологоразведочных работ Российского государственного геологоразведочного университета (зав. 
кафедрой д-р техн. наук, проф. ВВ. Алексеев); 
• 
д-р техн. наук, проф. Ю.П. Миновский (зам. генерального директора по 
научной работе ООО «Испытательная лаборатория центра по сертификации взрывозащищенного и рудничного оборудования») 

Малашкина В.А. 

М 18 
Гидравлика. Учебное пособие для проведения практических 
занятий и самостоятельной работы студентов. — 2-е изд., стер. — 
М : издательство «Горная книга», 2012. — 102 с : ил. 

I S B N 978-5-98672-127-9 
Даны указания и рекомендации для выполнения практических занятий по курсу «Гидравлика». При выполнении приведенных практических 
работ студенты закрепляют знания основных законов гидравлики, получают навыки решения задач в области гидростатики, кинематики и динамики жидкости, а также навыки применения основных законов гидромеханики для расчета трубопроводных сетей различного назначения. 

Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Безопасность 
технологических процессов и производств (в горной промышленности) 
направления подготовки «Безопасность жизнедеятельности». 

УДК 622.233.63 
ББК33.1 

I S B N 978-5-98672-127-9 
© В.А. Малашкина, 2006, 2012 
© Издательство «Горная книга», 2006, 
2012 

© Дизайн книги. Издательство 
«Горная книга», 2006, 2012 

ВВЕДЕНИЕ 

Учебное пособие выполнено в соответствии с рабочей программой дисциплины «Гидравлика» и учебным планом студентов, обучающихся по специальности «Безопасность технологических процессов и производств», специализации «Горная 
промышленность». 

Настоящее пособие посвящено ключевым разделам гидравлики: свойства жидкостей; силы, действующие в жидкости; 
гидростатика; кинематика и динамика жидкости. 

Цель практикума — получение студентами умений и навыков решения практических задач в области гидростатики, кинематики и динамики жидкости, а также выполнения расчетов 
трубопроводных сетей с использованием основных законов 
гидромеханики. 

В пособии приведены основные теоретические положения 
гидравлики, а также задачи по каждому разделу, образцы решения наиболее сложных задач с комментариями. Для индивидуализации расчетных заданий приводятся 10 вариантов исходных данных и задач по каждому разделу. Выполнение заданий предусматривает ознакомление с теоретическими основами, изложенными в данном пособии, а также углубленное самостоятельное изучение материала с использованием учебной 
литературы из основного или дополнительного списка, приведенного в пособии, или конспекта лекций. Для контроля самостоятельной работы в конце каждой темы предлагается перечень вопросов для письменного ответа. 

Отчет о выполнении занятия выполняется каждым студентом персонально. По окончании работы отчет предъявляется 
преподавателю, который визирует выполнение задания и защиту результатов. Готовые отчеты с двумя визами преподавателя следует хранить до конца семестра и предъявить для получения допуска к экзамену. 

5 

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. 
СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ 

Гидравлика, или техническая механика жидкостей, — это 
наука о законах равновесия и движения жидкостей, о способах 
применения этих законов к решению практических задач. 

Жидкостью называют вещество, находящееся в таком агрегатном состоянии, которое сочетает в себе черты твердого 
состояния (весьма малая сжимаемость) и газообразного (текучесть). Законы равновесия и движения капельных жидкостей в 
известных пределах можно применять и к газам. 

На жидкость могут действовать силы, распределенные по 
ее массе (объему), называемые массовыми, и по поверхности, 
называемые поверхностными. К первым относятся силы тяжести и инерции, ко вторым — силы давления и трения. 

Нормальным напряжением или давлением называется отношение силы, нормальной к поверхности F, к площади S. Силу F 
принято называть силой давления. При равномерном распределении 

F 

Касательным напряжением называется отношение силы 
трения, касательной к поверхности, к площади 

Если давление р отсчитывают от абсолютного нуля, то его 
называют абсолютный (pa&). а если от условного нуля (т.е. сравнивают с атмосферным давлением рЛ), то избыточным 

Рабе = Риэб + РаЕсли рабе < ра, то имеется вакуум, величина которого рвак 
= 

- Р з ~ Рабе
Основной физической характеристикой жидкости является 
плотность р (кг/м

3), определяемая для однородной жидкости 
отношением ее массы т к объему V 

6 

т 

Плотность пресной воды при температуре Т = 4 °С р = 
= 1000 кг/м

3. В гидравлике часто пользуются также понятием 
удельного веса у (Н/м

3), т.е. весом G единицы объема жидкости 

G 

Плотность и удельный вес связаны между собой соотношением 

У=8Р> 

где g — ускорение свободного падения. 
Для пресной воды у о д = 9810 Н/м

3 *. 

Важнейшие физические параметры жидкостей, которые 
используются в гидравлических расчетах, — сжимаемость, температурное расширение, вязкость и испаряемость. 

Сжимаемость жидкостей характеризуется модулем объемной упругости К , входящим в обобщенный закон Гука. 

AV _ 
Ар 
V 
" 
К ' 

где AV— приращение (в данном случае уменьшение) объема 
жидкости V , обусловленное увеличением давления на Ар. 

Например, для воды Квод ~ 2х10

3МПа . 

Температурное расширение определяется соответствующим 
коэффициентом, равным относительному изменению объема, при 
изменении температуры на 1 °С: 

При решении задач допускается принимать ут 
= 10 Н/м . 

7 

Вязкость — это способность жидкости сопротивляться 
сдвигу. Различают динамическую (ц.) и кинематическую (v) 
вязкости. Первая входит в закон жидкостного трения Ньютона, выражающий касательное напряжение х через поперечный градиент скорости dvldt 

dv 

Т = ( Х — . 

dt 

Кинематическая вязкость связана с динамической соотношением 

v = H . 

Р 

Единицей измерения кинематической вязкости в системе СИ 

"* 
2 
2 

является м7с, а в системе СГС — см /с (стоке — Ст). 1 м /с = 
= 10

4Ст. 
Испаряемость жидкостей характеризуется давлением насыщенных паров в функции температуры. 

Давлением насыщенных паров можно считать то абсолютное давление, при котором жидкость закипает при данной 
температуре. Следовательно, минимальное абсолютное давление, при котором вещество находится в жидком состоянии, 
равно давлению насыщенных паров рн 
в . 

ГИДРОСТАТИКА 

Давление в покоящейся жидкости. Уравнение равновесия 
жидкости, находящейся в относительном покое, может быть 
записано в дифференциальной форме 

dp = p(Fxdx + Fydy + F,dz), 
(1.1) 

где Fx,Fy,Fz— 
проекции на соответствующие оси координат 

равнодействующей массовых сил, отнесенных к единице массы (проекции ускорений); р — плотность жидкости, кг/м

3. 
Основное уравнение гидростатики имеет вид 

pgz + p = const, 
(1.2) 

где z— геометрическая высота, то есть расстояние от произвольной горизонтальной плоскости сравнения до рассматриваемой точки покоящейся жидкости; р — гидростатическое 
давление в этой точке; р — плотность жидкости; g — ускоре-' 
нис свободного падения. 

Гидростатическое давление в точке определяется по формуле 

P = Po + P8

h> 
(1-3) 

где ро— внешнее давление; h — глубина погружения точки. 
Размерность гидростатического давления: [р] = Н/м

2 (нью
он на квадратный метр) = Па (паскаль). 

Соответственно плотность р должна иметь размерность: 

[р] =кг/м

3 (килограмм на кубический метр). 

Гидростатическое давление может быть условно выражено высотой столба жидкости p/pg . 

9 

В гидротехнической практике внешнее давление часто равно атмосферному, то есть р0 = р е т . 

Величина давления рт = 1 кгс/см

2 = 9,81 х 10

4 Н/м

2 называется технической атмосферой. 

Давление, равное одной технической атмосфере, эквивалентно давлению столба воды высотой 10 м, то есть 

р„ 
9,81х10

4Н/м

2 

• = 10мвод.ст. 
pg 
(1000x9,81) Н/м

3 

Гидростатическое давление, определяемое по уравнению 
(1.3), именуется полным или абсолютным давлением. В дальнейшем будем обозначать это давление р . Обычно в гидротехнических расчетах интересуются не полным давлением, а 
разницей между полным давление и атмосферным, т.е. так называемым манометрическим давлением 

Р = Р-Р„- 
(1-4) 

В дальнейшем изложении сохраним обозначение р за манометрическим давлением. Если абсолютное давление меньше 
атмосферного, то вводится понятие вакуума.. Вакуумом называется недостаток давления до атмосферного, то есть 

Рт=Р*-Р- 
(

L5> 

Сумма членов z + — дает величину полного гидростатиР8 

ческого напора 

Н 
=г + — . 
(1.6) 

полн 
»
 
4 
7 

Р8 

Сумма z+— 
выражает гидростатический напор Нбез учеР8 

та атмосферного давления -^

S L, то есть 

Р8 

10