Гидравлика бойынша арнайы пәнге арналған сабақ жоспары

Сабақ тақырыбы: Сұйық және газдың физикалық қасиеттері

Сабақ мақсаты:

1. Білімділік – студенттерге түсіндіру

2. Дамытушылық – студенттердің тыңдай білу және оймен бөлісу қабілеттерін ұштауға, білімін дамытуға мүмкіндік туғызу.

3. Тәрбиелік- студенттерді ұқыптылыққа, зеректілікке, атқаратын жұмысына жауапкершілікпен қарауға, сауаттылыққа тәрбиелеу;

Сабақ түрі: аралас

Сабақ көрнекілігі: интерактивті тақта, слайд

Сабақ барысы:

1. Ұйымдастыру кезеңі (4 мин)

2. Үйге берілген тапсырманы тексеру (20 мин)

3. Жаңа тақырыпты түсіндіру (меңгерту) (35 мин)

4. Жаңа сабақты бекіту (қорытындылау) (20 мин)

5. Бағалау (6 мин)

6. Үйге тапсырма (5 мин)

1. Ұйымдастыру кезеңі:

1. Студенттермен сәлемдесу.

2. Сынып бөлмесінің сабаққа даярлығын тексеру.

3. Студенттерді түгендеу.

2. Үйге берілген тапсырманы тексеру.

1. Тамшылы сұйық қасиеттері;

2. Газ тәріздес сұйықтардың қасиеттері;

3. Сұйыққа әсер ететін күштер туралы.

3. Жаңа тақырыпты түсіндіру (меңгерту).

Гидравлика – бұл сұйықтың тепе-теңдігі мен қозғалысының заңдылықтарын және оларды әр түрлі практикалық есептерді шешуде қолдануды қарастыратын ғылым. Гидравлика пәнінің түсінігі гректің hydor (су) және aylos (түтік) сөздерінен шыққан, бұл бастапқыда судың құбыр бойымен қозғалысы туралы оқып үйрену деген мағынада болды. Гидравлика мына негізгі бөлімдерден тұрады: гидростатика, кинематика және гидродинамика.Гидростатика - сұйықтың тыныштықта тұрғандағы тепе-тендігімен, қатты дененің сұйыққа түгелімен немесе жартылай батқан кездегі жағдайын зерттейтін гидравликаның бөлімі. Кинематика - деп, сұйық қозғалысының (ағынның) геометриялық көрсеткіштері мен уақыт ішіндегі (жылдамдығы мен үдеуі) жағдайын зерттейді. Гидродинамика деп, сұйық қозғалысы кезіндегі заңдылығын және оған түсетін барлық күш әсерімен бірге зерттейтін ғылым саласы.

Гидравликаның негізі- физика, жоғары математика, теориялык механика, материалдар кедергісі ғылымына сүйенсе, өзі-турбинаны жобалауға, сорғыларды, басқа гидравликалық машиналардың, сумен қамтамасыздандырудың, жер суландырудың және жер құрғату ғылым саласының негізгі базасы болады. Барлық техника саласында гидравликалық қондырғыларды пайдаланады да, оларға осы гидравлика заңын қолданады.

Қазіргі кездегі гидравликаның мазмұны әлдеқайда кең, бүгінгі күні гидравликаның заңдылықтары қолданылмайтын техниканың саласын кездестіру қиын. Гидравликаны қолданудың маңызды салалары – бұл гидротехника және мелиорация, сумен қамсыздандыру және канализация, гидроэнергетика және су көлігі; машина жасау және авиация; жылу техникасы және атомдық энергетика және т.б.

Бұл ғылымның ролі химиялық технологияда, тамақ және жеңіл өнеркәсіпте, автомобиль жасауда, гидрология мен метрологияда, ауыл шаруашылығында және т.б. өте маңызды. Бірақ олардың барлығы сұйықтың тепе-теңдігі мен қозғалысы заңдылықтарына негізделген.

Қазіргі кезде «гидравлика» деп энергияны атқарушы органға берудегі жұмыстық дене ретінде қолданылатын кез-келген сұйықты (су, бензин, дизельдік отын, тежеу сұйықтары, мотор майлары, синтетикалық сұйық, су және май эмульсиясы, сынап және т.б.) оқып білуді айтады.

Cұйық дегеніміз аққыштық қасиетке ие болатын, өзі құйылған ыдыс пішінін толығымен алатын физикалық дене. Ол тамшылы және газ тәріздес болып бөлінеді. Тамшылы cұйық аз ғана сығылғыш болып келеді, ал газ тәріздес сұйық сығылғыш болып келеді және тұтқырлығы аз болады. Газ тәріздес сұйыққа барлық газдар жатады.

Сұйықтықтың негізгі механикалық сипаттамаларының бірі – сұйықтықтың тығыздығы.

Сұйық денесінің массасының m, көлеміне V қатынасын сұйықтықтың тығыздығы ρ (кг/м3)деп атайды. Біртекті сұйықтық үшін:

мұндағы m - V көлеміндегі сұйықтықтың массасы.

Сұйықтықтың тығыздығына температура мен қысым әсер етіп, гидравликалық жүйенің жұмысына күрделі кедергілер келтіруі мүмкін. Мысалы, температура өзгерісі кезінде сұйықтың көлемдік кеңеюі нәтижесінде ол өзі құйылған резервуарды толтырып, ал егер ыдыс жабық болса, онда оны бұзуы мүмкін.

Гидравликалық жүйелерді есептегенде сұйық тығыздығының маңызы өте зор, өйткені құбырлық магистральдардағы арын азаюы мен кедергі шамасына сұйықтың қозғалыс жылдамдығы үлке әсер етеді және де сұйық құбыр ұзындығы бойындағы жергілікті кедергілерден (золотниктер, дроссельдер, крандар, сұйық қозғалысы бағытын өзгерткенде) өткенде тығыздыққа байланысты энергия біршама шығындалады.

Меншікті салмақ- γ - Біртекті сұйықтың меншікті салмағы деп, сұйықтың салмағының көлеміне катынасын айтады:

мұндағы G- сұйықтықтың салмағы, (кг) сұйықтықтың меншікті салмағының өлшем бірлігі Н/м3;

Н - Ньютон күш бірлігі.

Сұйық салмағы G=m*g тең болғандықтан, мұндағы g-еркін түсу үдеуі, ал егер бұл формуланы (1.2) теңдеуіне қойып, меншікті салмақ пен тығыздық арасындағы байланысты табамыз:

Сұйықтықтың меншікті салмағының шамасы және оның тығыздықпен байланысы гидравликаның көптеген практикалық есептерін шығаруда қажет (мысалы, сұйықтық ішіндегі қысымды, сұйықтықтың қатты денелерге әсерін, денелер жүзуін және т.б. анықтағанда).

Температуралық кеңею деп сұйықтықтың температура өзгерген кездегі өз көлемін өзгерту қасиетін айтады. Сұйықтықты қыздырғанда оның көлемі артып, ал салқындатқанда көлемі азаяды. Сұйықтық көлемінің өзгеруі температуралық кеңею коэффициентімен βt, сонымен қатар сұйықтықтың бастапқы көлемі мен оның температурасының өзгеруімен V0 сипатталады:

Температуралық кеңею коэффициенті сұйық көлемі өсімшесінің ΔV оның бастапқы көлеміне қатынасын білдіреді.

мұндағы ;

ΔV- көлем өзгеруі, ал ;

Δt- температура өзгерісі.

Сығымдылық – қысым жоғарылаған кездегі сұйықтық көлемінің азаю қасиеті. Ол көлемдік сығылу коэффициентімен βp сипатталады. Көлемдік сығылу коэффициенті қысым өзгерісі кезіндегі сұйықтық көлемінің салыстырмалы өзгеруін білдіреді, өлшем бірлігі м2/H:

мұндағы ΔV- қысымның Δp шамасына жоғарылағандағы сұйықтық көлемінің азаюы;

V- сұйықтықтың бастапқы көлемі.

(1.5) теңдеудегі минус таңбасы қысымның оң өсімшесіне Δp көлемнің теріс азаюы ΔV сәйкес келетіндігін білдіреді.

Сұйықтықтың сығымдылығы гидравликалық жүйелер үшін теріс фактор болып табылады, өйткені сұйықтықтың сығылуына жұмсалатын энергияның қайтымсыздығына байланысты жетектердің жалпы п.ә.к. төмендейді.

Сұйықтық көлемінің сығылу коэффициентіне кері шама сұйықтықтың серпімділік модулі деп аталады да Е- әрпімен белгіленеді:

Сұйықтардың серпімділік модульдері мәндерінің жоғарылығына байланысты техникалық есептерде сығымдылықты ескермеуге, яғни сұйықты сығылмайды деп есептеуге болады. Бірақ, кейбір жағдайларда сығымдылық гидравликалық құрылғылардың жұмыстары негізделетін база болып табылады, мысалы, сұйықтық серіппелер және амортизаторлар.

Сұйықтықтың тұтқырлығы – Әртүрлі жылдамдықпен аққан сұйықтың екі қабатының арасында болатын үйкеліс кедергіні тұтқырлық деп атайды, немесе сұйықтың жанама кернеуге қарсы тұру қасиетін айтады, кейде сұйықтың ішкі үйкелісі деп те атайды. Тұтқырлық көлемдік және тангенциальдыға бөлінеді. Көлемдік тұтқырлық сұйық сығылғанда және созылғанда білінеді және көлемдік деформация мен қысым арасында фазалар бойынша жылжуды және серпімді тербелістерде энергия таратылуды тудырады. Гидравликалық жүйелердегі жұмыстық сұйықтықтардың көлемдік тұтқырлығы толық зерттелмеген және техникалық есептерді шығарғанда ол ескерілмейді.

Тангенциальды (жылжымалы) тұтқырлық деп сұйықтың бір қабатқа қарағандағы басқа қабаттың жылжуына кедергі жасай алу қабілетін айтады.

Сұйықтықта ішкі үйкеліс күшінің барлығын алғаш рет И.Ньютон қарастырған. Оның 1687 жылы келтірілген гипотезасы бойынша, сұйықтықтың екі қабатының арасында пайда болатын үйкеліс күші F қысымға емес, сұйық тегіне, қабаттардың жанасу ауданына және ағуының салыстырмалы жылдамдығына тәуелді.

Өзенде ағатын сұйықтықтың (судың) жоғарғы қабаты төменгісімен салыстырғанда жоғары жылдамдықпен ағатыны белгілі. Сұйық ағымын ойша қабаттарға бөліп, олардың арасында өзен түбіне жақындаған сайын жылдамдықты төмендететін, тіпті өзен түбіндегі жылдамдықты нөлге жақындататын, үйкеліс күші бар екендігіне көз жеткізуге болады. Сұйықтың екі қабаты арасында пайда болып, ара қашықтығында жылдамдықтардың dv айырмашылығымен қозғалатын үйкеліс күші мынаған тең:

мұндағы S- сұйық қабаттарының жанасу ауданы;

- сұйық ағысы бағытындағы жылдамдық градиенті деп аталатын жылдамдықтың салыстырмалы өзгеруі;

μ- тұтқырлықтың динамикалық коэффициенті.

таңбасы шамасының таңбасына сәйкес қойылады.

Тұтқырлықтың динамикалық коэффициенті Паскаль- секундпен (Па*с) немесе пуазбен (П) өлшенеді және сұйық тегі мен оның температурасына тәуелді болады.

1 П= 1 дин*с/см2.

1 дин=10-5 Н=1,02*10-6 кгс болғанда, ал 1 м2 =104 см2 болса, онда 1 П=0,1 Па*с=0,0102 кгс*с/м2.

Динамикалық тұтқырлықпен қатар гидравликада кинематикалық тұтқырлық та қолданылады. Динамикалық тұтқырлық коэффициентінің оның тығыздығына қатынасы кинематикалық тұтқырлық болып табылып, ν коэффициенті арқылы белгіленеді:

Кинематикалық тұтқырлық коэффициентінің өлшем бірлігі:

1 Ст=1 см2/с=1*10-4м2/с=0,01сСт.

Тамшылы сұйықтардың тұтқырлығы оның температурасына тәуелді, температура жоғарылаған сайын сұйықтық тұтқырлығы төмендейді. Газдардың тұтқырлығы керісінше, температура жоғарылаған сайын тұтқырлығы да жоғарылайды. Оның түсінігі ретінде, сұйықтық молекулалары газ молекулаларына қарағанда бір-біріне жақын орналасуын және тұтқырлық молекулалар ілінісуінің күшінен пайда болатынын айтуға болады. Молекулалар ілінісуінің күші сұйықтық температурасы ұлғайған сайын азаяды, соның әсерінен тұтқырлық та азаяды. Ал газдардың тұтқырлығы, негізінен, ондағы молекулалардың ретсіз жылулық қозғалысымен түсіндіріледі де, ол қозғалыстың қарқыны температура ұлғайған сайын өседі. Сондықтан газдардың температурасы ұлғайған сайын тұтқырлығы да өседі.

Сұйықтар тұтқырлықтарының шамасын анықтау үшін вискозиметр деп аталатын әр түрлі конструкциялы приборлар қолданылады. Осылардың ішіндегі ең кең тараған түрі – ол Энглер вискозиметрі. Энглер вискозиметрі диаметрі 106 мм болатын цилиндрлі ыдыстан, және оның түбіне жалғанған диаметрі 2,8 мм болатын қысқаша түтіктен тұрады. Энглер градусы бойынша тұтқырлық (°Е) вискозиметрден осы түтік арқылы өз салмағының әсерімен 200см3 сыналатын сұйықтықтың ағу уақытының t, дәл сол прибордан сол мөлшердегі 20°С температурадағы тазартылған судың ағу уақытына tсу қатынасымен анықталады. Әдетте tсу=50…52 c. Сонда:

1°Е=t/tсу

Энглердің шартты тұтқырлығын кинематикалық тұтқырлыққа ауыстыру үшін келесі теңдікті қолданады:

ν= (0.0732°Е –0.0632/°Е), м2/с.

Газтәріздес сұйықтар. Газтәріздес сұйықтардың сығылатындығына байланысты олардың тығыздығы және көлемдік салмағы қысым мен температураға тәуелді болады.

Газдардың сығылу және кеңею процесі:

Бойль – Мариот заңы

мұндағы р1 және р2 - қысымдар;

V1 және V2 – р1 және р2 қысымдарындағы тұрақты температурадағы газдардың көлемі.

Гей – Люссак заңы

мұндағы T1 және T2 – абсолютті температуралар; T1=273.15+t1; T2=273.15+t2; (мұндағы газ температуралары Цельсий шкаласы бойынша).

Гей – Люссак және Бойль – Мариот заңдарының негізінде идеал газ күйінің теңдеуі:

мұндағы G – кгс- пен өлшенетін газдың салмағы;

R – меншікті газ тұрақтысы, ол 1◦ -қа қыздырғандағы 1 кгс газдың кеңеюге кеткен жұмысқа тең (p=const); R=848/M кгс∙м/кг∙град (мұндағы М – газдың молекулалық салмағы).

Изотермиялық процесс Бойль – Мариот заңымен сипатталып, газдың тұрақты температурасында байқалады.

Адиабаттық процесс газдың қоршаған ортамен жылу алмастыруынсыз болады және келесі теңдікпен сипатталады:

pVk = const,

мұндағы адиабата көрсеткіші k = Cp/Cv (мұнда Ср және Cv—тұрақты қысым мен тұрақты көлемдегі газдың жылу сыйымдылығы).

Газ күйінің өзгеруінің изотермиялық және адиабаттық процестері политроп теңдеуімен сипатталатын политропты процестердің жеке жағдайымен түсіндіріледі:

pVn=const,

мұндағы n – политроп көрсеткіші, ол V=f(p) графиктік тәуелділігін зерттеу негізінде әр нақты жағдайға байланысты анықталады. Көріп отырғанымыздай, n=1 болған жағдайда процесс изотермиялық, ал n=к болғанда адиабаттық болады.

Сұйыққа әр түрлі күштер әсер етеді, оларды массалық және беттік күштер деп бөлуге болады.

Массалық күштерді көбінесе көлемдік деп атайды, олар массаға, ал біртектес сұйықтарда көлемге де пропорционал болады. Массалық күштердің қатарына ауырлық күші, инерция күштері және центрден тепкіш күштер жатады.

Беттік күштер өздері әсер ететін беттің ауданына пропорционал. Беттік күштерге сұйық бетіне қалыпты (сығу немесе қысу күштері және созу күштері) және жанама (үйкеліс күштері) әсер ететін күштерді жатқызамыз. Сығу…