Alisher navoiy nomidagi samarqand davlat universiteti
MASHG’ULOTNING O’QUV-USLUBIY MATERIALLARI
Download 7.17 Kb. Pdf ko'rish
|
- Bu sahifa navigatsiya:
- 2.3. Gidrostatikaning asosiy differensial tenglamasi
MASHG’ULOTNING O’QUV-USLUBIY MATERIALLARI 2.1. Suyuqlikka ta’sir etuvchi kuchlar Kuch – bu ikki jism o’zaro ta’sirining miqdor o’lchovi. Suyuqlikning biror hajmiga ta’sir etuvchi tashqi kuchlar massaviy va sirt kuchlariga bo’linadi. Qo’zg’almas suyuqlikda kuchlanishning faqat bir ko’rinishi – siqish kuchlanishi mavjud. Siqish kuchlanishi – bu sirt kuchlarining taqsimlanish zichligi. Bu tushuncha fransuz matematigi O.Koshi (1789- 1857) tomonidan kiritilgan. Massaviy kuchlar suyuq jismning massasiga, bir jinsli suyuqliklar uchun esa uning hajmiga (og’irlik, inertsiya, markazdan qochish kuchlariga) proporsional. Yer sharoitida og’irlik kuchi suyuqlikka doimo ta’sir etadi, inertsiya kuchi esa suyuqlik hajmiga tezlanish (musbat yoki manfiy) berilgan-dagina paydo bo’ladi. Sirt kuchlari suyuq jismning sirti bo’ylab uzluksiz taqsimlangan va sirt yuzasiga proporsional. Bu kuchlar suyuqlik qo’shni hajmlarining to’g’ridan to’g’ri o’zaro ta’sirini yoki boshqa jismlarning, xususan, suyuq jism bilan o’zaro tutashgan boshqa qattiq jismning ta’sirini ifodalaydi. Suyuqlik bilan to’ldirilgan idishni qaraylik. Agar undan cheksiz kichik suyuqlik hajmini ajratib qarasak, u holda bu hajmga qo’shni cheksiz kichik hajmlardan kuchlar ta’sir qiladi (2.1,a-rasm). Bundan tashqari suyuqlikning erkin sirtiga P atm atmosfera bosimining kuchi va idish devori tarafdan kuchlar ta’sir qiladi. Sirt taranglik kuchlari – bu suyuqlikka sferik shakl berishga intiluvchi kuchlar. Sirt taranglik kuchlari sirt kuchlaridan bog’liq va ular suyuqlikning erkin sirtiga perpendikulyar bo’lib doimo qaralayotgan hajmning ichiga yo’nalgan. Masalan, erkin sirtda suyuqlikning cheksiz kichik hajmini qaraylik. Bunga qo’shni hajmlar tomonidan kuchlar ta’sir etadi. Natijada, agar qaralayotgan hajmga ta’sir etayotgan barcha kuchlar vektorlarini yug’sak, u holda yig’indi tashkil etuvchi kuch qaralayotgan hajmning ichiga normal yo’nalgan bo’ladi (2.1,b-rasm). 2.2. Gidrostatik bosim va uning xossalari Sokin suyuqlik barcha tarafdan sirt kuchlari bilan siqilgan bo’ladi. Bu kuchlar sirt nuqtalariga normal bo’ylab hajmning ichiqa qarab yo’nalgan bo’ladi. Bu P kuchlar gidrostatik bosim kuchlari deb ataladi. Bu P kuch ta’sirida suyuqlik ichida p siquvchi kuchla-nish paydo bo’ladi va uning moduli gidrostatik bosim deb ataladi (2.2-rasm). 2.1,a-rasm. Sirt kuchlari. 2.1,b -rasm. Sirt taranglik kuchlari. 2.2-rasm. Gidrostatik bosimni aniqlash. Suyuqlikning berilgan A nuqtasidagi gidrostatik bosimning qiymati quyidagi formuladan topiladi: p = 0 lim S P p S , (2.1) bu yerda P – berilgan S yuzachaga ta’sir etuvchi bosim kuchi. Kuchlanish vektori yuzaning oriyentatsiyasidan bog’liq. Ularning soni cheksiz to’plam. Har bir vektor yuzaga nisbatan normal va urinma tashkil etuvchilarga ega. Sokin suyuqlikda urinma kuchlanish mavjud emas, qaralayotgan nuqtada molekulalar orasidagi masofa barcha yo’nalishlarda bir xil (chunki, suyuqlikda tuzilma yo’q). Shuning uchun, suyuqlik ichki nuqtasidagi kuchlanish vektor emas, balki skalyar miqdor (u yo’nalishdan bog’liq emas). Shunday qilib, p bosim (N/m 2 yoki Pa) – bu skalyar miqdor. 53 Butun S sirt bo’ylab p ning o’rtacha qiymati: P p p S , (2.2) bu yerda P (N) – berilgan S (m 2 ) yuzaga qo’yilgan gidrostatik bosim kuchlari yig’indisi (keyingi yozuvlarda P ni bosim kuchi sifatida ishlatamiz). Sokin suyuqlikda doimo bosim kuchi mavjud va u gidrostatik bosim deb ataladi. Idish tubi va devoriga suyuqlikning kuch ta’siri mavjud. Havzaning yuqori qatlamlarida yotgan suyuqlik zarrachalari uning tubida yotgan zarrachalarga nisbatan kamroq siquvchi kuchlarni his etadi. Suyuqlik bilan to’ldirilgan vertikal tekis devorli rezervuarni qaraylik (2.3,a-rasm). Rezervuarning tubiga unga quyilgan suyuqlik og’irligi G = V ga teng bosim kuchi P ta’sir etadi, ya’ni P = G. Agar bu P kuchni idish tubining yuzasi S abcd ga bo’lsak, u holda rezervuar tubiga ta’sir etuvchi o’rtacha gidrostatik bosimni hosil qilamiz: p o’rt = P/ S abcd . Gidrostatik bosim quyidagi xossalarga ega: 1. Suyuqlikning ixtiyoriy ichki nuqtasidagi gidrostatik bosim uning ajratib olingan hajmiga uringan yuzaga perpendikulyar va u qaralayotgan hajmning ichiga normal bo’ylab yo’nalgan. Bu tasdiqni isbotlash uchun 2.3,a-rasmga murojaat qila-miz. Rezervuarning yon devorida S yon yuzachani (shtrixlangan) ajratamiz. Gidrostatik bosim bu yuzaga taqsimlangan kuch ko’rinishida ta’sir qiladi, uni bitta teng ta’sir etuvchi P kuch bilan almashtirish mumkin. Faraz qilaylik, shu yuzaga ta’sir etuvchi P gidrostatik bosimning teng ta’sir etuvchisi A nuqtaga qo’yilgan va unga φ burchak ostida yo’nalgan (rasmda strelkali shtrix kesma bilan tasvirlangan). U holda devorning suyuqlikka ta’sir etuvchi reaksiya kuchi R xuddi shu miqdorga teng, ammo unga rama-qarshi yo’nalgan bo’ladi (strelkali to’la kesma). Ko’rsatilgan R vektorni ikkita tashkil etuvchi vektorlarga ajratish mumkin: R n – normal (shtrixlangan yuzachaga perpendikulyar) va R - devorga urinma. R n – normal bosim kuchi suyuqlikda siqish kuchlanishini yuzaga keltiradi. Bunday kuchlanishlarga suyuqlik osongina qarshilik korsatadi. R - devorga urinma kuch suyuqlikka devor bo’ylab ta’sir qiladi, odatda u suyuqlikda urinma kuchlanishlarni yuzaga keltirishi va suyuqlik zarrachalari pastga qarab ko’chishi kerak edi. Ammo rezervuardagi suyuqlik sokin holatda bo’lganligi uchun R tashkil etuvchi yo’q. Bu yerdan godrostatikaning birinchi xossasi kelib chiqadi. 2. Suyuqlik ichida berilgan ixtiyoriy nuqtadagi gidrostatik bosimning miqdori barcha yo’nalishlarda bir xil, ya’ni bosim o’zi ta’sir qilayotgan yuzaning oriyentatsiyasidan bog’liq emas. Talabaning muammoni mustaqil o’zlashtirishiga ko’maklashish maqsadida ushbu masalani yechishning quyidagi ikki xil yondashuvini qaraylik. 1) Biror rezervuarni to’ldirib turgan suyuqlikdan tomonlari juda kichik Δx, Δy, Δz elementar kubchani ajratib olamiz (2.3,b-rasm). Har bir yon sirtni elementar yuzachaning mos p x , p y , p z bosimlarga ko’paytmasidan iborat gidrostatik bosim kuchi siqadi. Musbat yo’nalishda ta’sir etuvchi bosim vektorinining komponentalarini p' x , p' y , p' z , teskari yo’nalishda ta’sir etuvchi bosim vektorinining komponentalarini esa p'' x , p'' y , p'' z kabi belgilaymiz. Kub muvozanat holatida bo’lganligi uchun quyidagi tengliklar o’rinli: p' x ΔyΔz=p'' x ΔyΔz ; p' y ΔxΔz = p'' y ΔxΔz ; p' z ΔxΔy + γΔxΔyΔz = p'' z ΔxΔy , bu yerda γ – solishtirma og’irlik; ΔxΔyΔz – kubning hajmi. Hosil bo’lgan tengliklarda mos qisqartirishlarni bajarsak, p' x = p'' x ; p' y = p'' y ; p' z + γΔz = p'' z . Uchunchi tenglamaning γΔz hadi p' z va p'' z larga nisbatan cheksiz kichik bo’lganligi uchun uni e’tiborga olmaslik mumkin, natijada p' x = p'' x ; p' y = p'' y ; p' z =p'' z . Kub deformatsiyalanmaganligi (o’qlarning birortasi yo’nalishida ham cho’zilmasligi) sababli bosim har xil o’qlar yo’nalishida bir xil deb faraz qilish lozim, ya’ni p' x = p'' x = p' y = p'' y = p' z =p'' z . Bu gidrostatikaning ikkinchi xossasi isbotini bildiradi. 54 2) Bu xossani quyidagicha ham isbotlash mumkin.Qo’zg’almas suyuqlikdan qirralari koordinata o’qlariga parallel bo’lib, ular mos ravishda d x ,d y va d z bo’lgan to’gri burchakli parallelopiped shaklidagi elementar hajmni ajratib olamiz (2.4-rasm). Faraz qilaylik, suyuqlikdan ajratib olingan hajmga tashkil etuvchilari X, Y va Z bo’lgan birlik massaviy kuch ta’sir etsin. Ox o’qiga normal yoqqa ta’sir etuvchi gidrostatik bosimni p x , Oy o’qiga normal yoqqa ta’sir etuvchi gidrostatik bosimni p y va Oz o’qiga normal yoqqa ta’sir etuvchi gidrostatik bosimni p z deb belgilaylik. Qiya yoqqa ta’sir etuvchi gidrostatik bosimni p n , shu yoqning yuzasini dS deb belgilaylik. Bu bosimlarning barchasi mos yoqlarga normal yo’nalgan. Suyuqlikning ajratib olingan hajmi uchun Ox o’q bo’ylab muvozanat tenglamasini tuzamiz, u holda Ox o’q bo’ylab ta’sir etuvchi kuch quyidagiga teng: (1/2)p x d y d z – p n dScos(n,x) . Tetraedrning massasi uning hajmiga zichligining ko’paytmasiga teng, ya’ni (1/6) d x d y d z . Natijada, Ox o’q bo’ylab tetraedrga ta’sir etuvchi massaviy kuch (1/6) d x d y d z X . a) b) 2.3-rasm. Gidrostatik bosimning xossalarini ifodalovchi sxemalar: a) – birinchi xossa uchun; b) – ikkinchi xossa uchun. 2.4-rasm. Gidrostatik bosimning xossasiga oid sxema. Bularga asosan tetraedrning muvozanat tenglamasini quyidagicha yozamiz: (1/2)d y d z p x – p n dScos(n,x) + (1/6) d x d y d z X . Bu tenglamani hadma had (1/2)d y d z ga bo’lamiz, bu ifoda dS qiya yoqning yOz tekislikdagi proeksiyasini beradi, ya’ni (1/2)d y d z = dScos(n,x) . Natijada ushbu p x – p n + (1/3) d x X = 0 . Tetraedrning o’lchamlari nolga intilganda bu tenglamaning d x ko’paytuvchini o’z ichiga olgan uchinchi hadi ham holga intiladi, p x va p n bosimlar esa chekli miqdorlar bo’lib qoladi. Natijada, limitdan p x – p n = 0 yoki p x = p n tenglik kelib chiqadi. Xuddi shunday, p y va p z bosimlar uchun ham Oy va Oz o’qlarga mos p y = p n va p z = p n tengliklarni olish mumkin. Natijada, ushbu p x = p y = p z = p n tenglikka kelamiz. Bu aytilgan xossaning isbotini beradi. Tetraedrning dx, dy va dz o’lchamlari ixtiyoriy olingani uchun dS qiya yuza ham ixtiyoriy. Tetraedrni bitta nuqtagacha siqib borsak, bu nuqtadagi bosim barcha yo’nalishlarda bir xil bo’lib chiqadi. Qo’zg’almas suyuqlikdagi gidrostatik bosim xossasining isboti qovushoqmas suyuqlikning harakatida ham o’rinli. Qovushoq suyuqlikning harakatida esa urinma kuchlanishlar paydo bo’ladi, natijada, qovushoq suyuqlikdagi gidromexanik bosim yuqorida ko’rsatilgan xossaga ega bo’lmaydi. 3. Nuqtadagi gidrostatk bosim shu nuqtaning fazodagi koordinatalaridan bog’liq, ya’ni p = p(x,y,z). Gidrostatik bosim (xuddi shunday kuchlanish) quyidagi birliklarda o’lchanadi: xalqaro birliklar sistemasi (SI)ga ko’ra 1 Pa = 1 N/m 2 = 10 -3 kPa = 10 -6 MPa (Pa – paskal; kPa – kilopaskal; MPa – megapaskal); MKGSS birliklar sistemasiga ko’ra 1 kgs/m 2 = 9,81 Pa (1 Pa = 0,102 kgs/m 2 ); SGS birliklar sistemasiga ko’ra din/sm 2 . Bulardan tashqari, bosimning bu sistemalrga kirmaydigan ba’zi birliklari ham ishlatiladi: texnik atmosfera - at (1 at = 9,8·10 4 Pа); 760 mm simob ustuni balandligiga ko’paytirilgan 55 bosimga teng fizik atmosfera (hozirda gidravlikada ko’proq shu birlik qo’llaniladi) – atm (1 аtm = 1,033 аt = 1,013·10 5 Pа); millimetr simob ustuni (1 mm simob ustuni = 133,3 Pa); bar, meteorologiyada millibar qo’llaniladi (1 bar = 10 5 Pa va 1 мbar=10 2 Pа). 2.3. Gidrostatikaning asosiy differensial tenglamasi Suyuqlikning muvozanat differensial tenglamasini unga faqat og’irlik kuchi emas, balki boshqa massaviy kuchlar, masalan, nisbiy sokin deb ataluvchi suyuqlikning ko’chirma harakatidagi inertsiya kuchlari ta’sir etganda ham chiqarish mumkin. Qo’zg’almas suyuqlikda bosimi p va koordinatalari x, y va z bo’lgan ixtiyoriy M nuqtani olamiz (2.5-rasm). Suyuqlikdan to’g’ri burchakli parallelepiped shaklidagi shunday elementar hajm ajratib olamizki, uning qirralari mos koordinata o’qlariga parallel va uzunliklari dx, dy va dz, M nuqta esa shu parallelepipedning uchilaridan birida yotadi. Suyuqlikning shu ajratib olingan hajmi uchun muvozanat shartini qaraymiz. Faraz qilaylik, suyuqlikning ajratib olingan hajmiga massa birligiga keltirilgan mos X, Y va Z natijaviy massaviy kuchlarta’sir etsin. U holda, suyuqlikning ajratib olingan hajmiga koordinat o’qlari yo’nalishida ta’sir etuvchi massaviy kuchlar shu tashkil etuvchilarning ajratib olingan hajm massasiga ko’paytmasiga teng bo’ladi. M nuqtadagi p bosim x, y va z koordinatalarning funksiyasi, ammo parallelepipedning har uchala yoqlari bo’yicha shu nuqta atrofida u bir xil, bu gidrostatik bosimning yuqorida isbotlangan xossasidan kelib chiqadi. M nuqtadan, masalan, N nuqtaga o’tishda faqatgina bitta x koordinata dx cheksiz kichik miqdorga o’zgaradi. Natijada esa p funksiya (∂p∂x)dx xususiy hosilaga teng miqdorda orttirma oladi. Shuning uchun N nuqtadagi bosim p + (∂p∂x)dx ga teng bo’ladi, bu yerda ∂p∂x – bosimning M nuqta atrofida Ox o’q yo’nalishidagi gradiyenti. Bosimni yoqlarning mos ravishda boshqa nuqtalarida qarasak, Ox o’qqa normal, masalan, N va M nuqtalarda bu bosimlar bir xil miqdorda bo’ladi: p – (p + (∂p∂x)dx) = – (∂p∂x)dx . 2.5-rasm. Suyuqlikning muvozanat differensial tenglamasini chiqarishga oid sxema. Bunga ko’ra parallelepipedga Ox o’q yo’nalishida ta’sir etuvchi kuchlar farqi ular ta’sir etayotgan yoq yuzasining shu miqdorga ko’paytmasiga teng: –(∂p∂x)dxdydz. Xuddi shunday, boshqa ikkita o’qlar yo’nalishida parallelepipedga ta’sir etuvchi kuchlar farqi mos ravishda –(∂p∂y)dy va –(∂p∂z)dz kabi bosim gradiyentlari orqali ifodalanadi. Shunday qilib, suyuqlikdan ajratib olingan parallelepipedga ko’rsatilgan massaviy kuchlar va bosimlar farqi ta’sir etar ekan. Shuning uchun, parallelepipedning uchta koordinata o’qlari yo’nalishidagi muvozanat tenglamalari quyidagi ko’rinishda yoziladi: 0 p X dxdydz dxdydz x ; 0 p Y dxdydz dxdydz y ; 0 p Z dxdydz dxdydz z . Bu tenglamalarni parallelepipedning dxdydz – massa-siga bo’lamiz va dx, dy va dz lar nolga intilganda limitga o’tamiz, ya’ni parallelepipedni dastlabki M nuqtagacha siqib boramiz. U holda, limitga o’tib, M nuqtada nisbatan suyuq-likning muvozanat differensial tenglamasini hosil qilamiz: 0 1 x p X ; 0 1 y p Y ; 0 1 z p Z , (2.3) bu yerda p x , p y , p z - mos koordinata o’qlari yo’nalishi-dagi bosim gradiyentlari; X, Y, Z – mos koordinata o’qlari bo’yicha birlik massaviy kuchlarning proyeksiyalari; - suyuqlik zichligi. Suyuqlikning bu muvozanat differensial tenglamasi L.Eyler tomonidan 1755 yilda olingan. Bu sistemaning vektor shakli quyidagicha: 0 grad 1 p F . (2.4) 56 Sath sirti deb hamma nuqtalarida qaralayotgan funksiya bir xil qiymat qabul qiladigan sirtga aytiladi. Gidravlikada bu sirt teng bosimli sirt bo’ladi. Shuning uchun bu sirtni sath sirti deb ataymiz. Sath sirtining barcha nuqtalarida gidrostatik bosim bir xil bo’lganligi uchun p = const, u holda dp = 0. Yuqoridagi tenglamalar sistemasidan quyidagi tenglamani hosil qilish mumkin: 0 1 dz z p dy y p dx x p Zdz Ydy Xdx . Bu yerdan esa, 0 bo’lganligi uchun, dp = Zdz Ydy Xdx . (2.5) Bu oxirgi tenglama umumiy muvozanat holatida koordinata o’qlari bo’yicha bosimning o’zgarishini ifodalaydi va u gidrostatikaning asosiy differensial tenglamasi deb ataladi. Sath sirti quyidagi xossalarga ega: ikkita sath sirtlari o’zaro kesishmaydi; massaviy kuchlar sath sirtiga normal yo’nalgan. Suyuqlik va gazsimon muhitni ajratib turuvchi sath sirti erkin sirt deb ataladi; 2.4. Bir jinsli siqilmaydigan suyuqlikning og’irlik kuchlari maydonidagi muvozanat tenglamasi. Absolyut sokinlikda sath sirti va uning tenglamasi Faraz qilaylik, idishdagi suyuqlik og’irlik kichi va erkin sirtiga ta’sir etayotgan tashqi bosim ta’sirida absolyut sokin bo’lib, muvozanat holatida turgan bo’lsin. Bu holda birlik og’irlik kuchlarining koordinata o’qlaridagi proyeksiyalari : 0 Y X , g Z . Gidrostatikaning asosiy differensial tenglamasidan dz g dp . Buni integrallasak, p A = – gz A + C. Integrallash o’zgarmasi C ni chegaraviy shartdan topamiz (2.6-rasm): z = z 0 da p = p 0 . Bu yerdan C = p 0 + gz 0 . Buni integrallash ifodasiga qo’ysak, p A = p 0 + g(z 0 - z A ) yoki p A = p 0 + gh A . (2.6) Bu tenglama suyuqlikning ixtiyoriy nuqtasidagi gidrostatik bosimni aniqlash imkon beruvchi gidrostatikaning asosiy tenglamasi deb ataladi. Sath sirtining differensial tenglamasi –gdz = 0 yoki dz = 0, uni integrallasak z = const = C, (2.7) bu yerda C = const ixtiyoriy o’zgarmas bo’lganligi uchun bu tenglama gorizontal tekisliklar oilasining tenglamasi bo’ladi. Suyuqlik ichidagi nutada bosimni aniqlash paytida ko’pincha erkin sirt tushunchasi kiritiladi. Erkin sirt – bu suyuq va gazsimon muhitlar orasidagi ajralish sirti. Bu sirt barcha nuqtalarida bosim bir xil bo’lgan teng bosimli sirtga kiradi. Uning shakli ta’sir etayotgan massaviy kuchlardan bog’liq. Massaviy kuchlar faqat og’irlik kuchlari bo’lgan holda sath sirti gorizontal tekislik va natijada erkin sirt gorizontal sirt bo’ladi, uning tenglamasi esa yuqorida keltirilgan gorizontal tekislik tenglamasidan iborat. Barcha nuqtalarida gidrostatik bosimi bir xil sirt teng bosimli sirt deb ataladi. Bunga erkin sirt yoki sath sirti misol bo’la oladi. Download 7.17 Kb. Do'stlaringiz bilan baham: |
Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling
ma'muriyatiga murojaat qiling