Пн. Апр 15th, 2024

Равномерное вращение сосуда с жидкостью. Возьмем открытый цилиндрический сосуд с жидкостью и сообщим ему постоянную угловую скорость w вращения вокруг вертикальной оси. Жидкость постепенно приобретет ту же угловую скорость, что и сосуд, а свободная поверхность ее видоизменится: в центральной части уровень жидкости понизится, у стенок – повысится, и вся свободная поверхность жидкости станет некоторой поверхностью вращения (рис. 2.11).

На жидкость в этом случае будут действовать две массовые силы, сила тяжести и центробежная сила, которые, будучи отнесенными к единице массы, соответственно равны g и w2r. Равнодействующая массовая сила j увеличивается с увеличением радиуса за счет второй составляющей, а угол наклона ее к горизонту уменьшается. Эта сила нормальна к свободной поверхности жидкости, поэтому угол наклона поверхности к горизонту возрастает с увеличением радиуса. Найдем уравнение положения свободной поверхности.

Untitled-10_clip_image002

Рис. 2.11

Учитывая, что сила j нормальна к свободной поверхности, получим:

Untitled-10_clip_image004отсюда:

Untitled-10_clip_image006
или после интегрирования:

Untitled-10_clip_image008

В точке пересечения свободной поверхности с осью вращения C = h, поэтому окончательно будем иметь (2.10):Untitled-10_clip_image010т. е. свободная поверхность жидкости является параболоидом вращения. Максимальную высоту подъема жидкости можно определить исходя из равенства объемов неподвижной жидкости и жидкости во время вращения.

На практике очень часто приходится иметь дело с вращением сосуда, заполненного жидкостью, вокруг горизонтальной оси. При этом угловая скорость w столь велика, что сила тяжести на порядок меньше центробежных сил, и ее действие можно не учитывать. Закон изменения давления в жидкости для этого случая получим из рассмотрения уравнения равновесия элементарного объема с площадью основания dS и высотой dr, взятой вдоль радиуса (рис. 2.12). На выделенный элемент жидкости действуют силы давления и центробежная сила.

Обозначив давление в центре площадки dS, расположенной на радиусе r, через p, а в центре другого основания объема (на радиусе r + dr) через p + dp, получим следующее уравнение равновесия выделенного объема в направлении радиуса:

Untitled-10_clip_image012
или

Untitled-10_clip_image014

Untitled-10_clip_image016

Рис. 2.12

После интегрирования:

Untitled-10_clip_image018
Постоянную C найдем из условия, что при r = r0 p = p0. Следовательно:

Untitled-10_clip_image020
Подставив ее значение в предыдущее уравнение, получим связь между p и r в следующем виде (2.11):

Untitled-10_clip_image022
Очевидно, что поверхностями уровня в данном случае будут цилиндрические поверхности с общей осью – осью вращения жидкости. Часто бывает необходимо определить силу давления вращающейся вместе с сосудом жидкости на его стенку, нормальную к его оси вращения. Для этого определим силу давления, приходящуюся на элементарную кольцевую площадку радиусом r и шириной dr. Используя формулу (2.11), получим, а затем следует выполнить интегрирование в требуемых пределах.

При большой скорости вращения жидкости получается значительная суммарная сила давления на стенку. Это используется в некоторых фрикционных муфтах, где для сцепления двух валов требуется создание больших сил давления.

От content

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *