Часто, выполняя расчеты давления, атмосферное давление на свободной поверхности игнорируют. Это позволяет сосредоточиться на так называемом избыточном гидростатическом давлении или манометрическом давлении, то есть на давлении, превышающем атмосферное。
Все, что необходимо знать о силе давления воды
Когда пловец ныряет на значительную глубину, он начинает ощущать боль в ушах. Это происходит потому, что на барабанные перепонки давит сила, создаваемая давлением воды, находящейся над ним. Данная иллюстрация подчеркивает, что давление в жидкости возрастает пропорционально глубине погружения.
Кроме того, корабли плавают на поверхности воды благодаря силы Архимеда — выталкивающей силе, которую производит жидкость. Данная сила появляется потому, что вода способна легко изменять свою форму и оказывает давление на поверхности всех объектов, находящихся в ней.
В этой статье мы подробнее рассмотрим, что мы понимаем под силой давления воды и как её легко можно вычислить.
Что это такое?
В сосуде, полностью заполненном водой, на дно действует сила, равная весу столба жидкости над дном. Это вызванное силой тяжести давление называется гидростатическим давлением.
Гидростатическое давление определяется как отношение силы, действующей на поверхность, к площади этой поверхности. Таким образом, его физический смысл заключен в том, что оно представляет собой силу, воспринимаемую на единицу площади, измеряемую в квадратных сантиметрах.
Законы гидростатики были разработаны Блезом Паскалем. В 1648 году он провел опыт, продемонстрировавший уникальные свойства воды. Вставив в бочку, заполненную водой, длинную узкую трубку, и наливая в неё воду из кружки, он тем самым заставил бочку разорваться.
Согласно закону Паскаля, любое усилие, приложенное к жидкости, передается равномерно во всем объеме данной жидкости. Данная характеристика объясняется тем, что вода практически не сжимается. Поэтому в гидравлических прессах это свойство активно используется.
Однако стоит помнить: плотность воды тоже увеличивается под воздействием высоких давлений. Это следует учитывать при проектировании конструкций для глубоководных аппаратов и других гидравлических систем.
Кроме выполнения разводки от накопительного бака к умывальникам и туалету, необходимо провести некоторые дополнительные работы. Независимо от того, имеется ли в доме теплый чердак или нет, важно тщательно изолировать емкость для хранения жидкости. Это станет дополнительной гарантией того, что в период сильных морозов зимой дом не останется без воды.
Закон Паскаля для гидростатики
В 1653 году французский ученый Блез Паскаль впервые описал закон, который сейчас знают как основной закон гидростатики.
Согласно этому закону, давление, оказываемое на поверхность жидкости из-за внешних сил, равномерно передается жидкостью во всех направлениях.
Закон Паскаля становится легко понятен, если рассмотреть молекулярную структуру жидкостей. В отличие от твердых тел, где молекулы находятся в жесткой кристаллической решетке, молекулы жидкостей и газов располагаются более свободно и могут перемещаться относительно друг друга.
Эта относительная свобода молекул в жидкостях и газах позволяет им передавать давление не только в том направлении, в котором на них воздействуют силы, но и во все другие направления.
Закон Паскаля имеет огромное значение в промышленности. На его основе функционируют гидроавтоматика, управляющая станками с числовым программным управлением, а также множества других гидравлических машин — от автомобилей до самолетов.
Определение и формула гидростатического давления
Из закона Паскаля можно вывести следующее:
Величина гидростатического давления не зависит от формы сосуда, в котором находится жидкость, и определяется следующим произведением:
P = ρgh, где:
- ρ — плотность жидкости;
- g — ускорение свободного падения;
- h — глубина, на которой измеряется давление.
Для наглядности представим три сосуда разной формы. Несмотря на различия в их конфигурации, давление на дно этих сосудов остается одинаковым.
Общее давление жидкости в сосуде включает в себя:
P0 — давление, производимое на поверхности жидкости, которое в большинстве случаев принимается равным атмосферному.
Если вы почувствовали слабый напор воды в кранах и эта проблема затронула ваших соседей по многоквартирному дому, причина может возникать как в конкретном стояке, так и в забитом трубопроводе всего дома. Кроме того, на давление воды в водопроводной системе влияет мощность насосной станции, которая ее подает.
Необходимый уровень напора для повседневных нужд
Важным аспектом является то, что строительные нормы устанавливают крайние допустимые границы давления. Порой эта разбежка кажется весьма значительной. Однако минимально допустимый напор не всегда способен обеспечить комфортное использование воды в квартире и нормальное функционирование бытовых приборов.
Оптимальный напор в системе водоснабжения для холодной воды в жилых помещениях составляет 4 атм. Обычно этот показатель колеблется в пределах 2,5–7 атм.
Слабый напор
При низком давлении могут возникнуть проблемы даже с простыми задачами, такими как принятие душа. Возможно, что в условиях недостаточного напора не смогут нормально функционировать стиральные машины, посудомоечные машины, душевые кабины и джакузи.
Закон Паскаля становится понятен, если проследить молекулярную структуру веществ. В жидкостях и газах молекулы обладают относительной свободой, что позволяет им двигаться относительно друг друга, в отличие от твердых тел, где молекулы располагаются в жестких кристаллических решетках.
Особенности измерения гидростатического давления и его свойства
Существует несколько методов учета величины гидростатического давления. Когда требуется рассчитать полное или абсолютное гидростатическое давление, учитывающее атмосферное давление, действующее на поверхность жидкости, величина обычно измеряется в абсолютных технических атмосферах. Однако в большинстве случаев атмосферное давление на свободной поверхности не учитывают, определяется так называемое манометрическое или избыточное гидростатическое давление — давление, превышающее атмосферное. Чтобы рассчитать манометрическое давление, нужно из абсолютного давления вычесть атмосферное. Измеряют избыточное давление в технических атмосферах, но уже как избыточные величины.
1. Гидростатическое давление воды всегда направлено к площади, на которую оно воздействует, по внутренней нормали. Это свойство объясняется тем, что в покоящейся жидкости отсутствуют растягивающие и касательные усилия. Из этого следует вывод, что при изменении давления в конкретной точке, аналогичное изменение будет наблюдаться и в любой другой точке жидкости.
2. В конкретной точке величина давления не зависит от направления — она одинакова во всех направлениях. То есть внешнее давление, действующее на свободную поверхность жидкости, передается во все точки без изменений.
3. На величину давления оказывает влияние вязкость жидкости. Вязкость — это свойство жидкости, позволяющее ей сопротивляться перемещению одной части относительно другой. Это свойство проявляется только во время движения жидкости и распределяет скорости по поперечному сечению потока.
Несколько слов о кавитационном режиме насосов
При определенных условиях в насосах может возникать явление, известное как кавитация. Оно характеризуется возникновением пузырьков газа в движущейся жидкости на фоне снижения гидростатического давления. В тех областях, где давление жидкости возрастает, пузырьки исчезают (схлопываются).
При эксплуатации лопастных насосов кавитацию чаще всего наблюдают в зоне потока, где достигается максимальная скорость — вблизи входной кромки на лопастях рабочего колеса. В случае схлопывания пузырька пара на поверхности лопатки или рабочего колеса, происходит резкий всплеск давления, создающий ударную волну, которая может вызвать значительное повреждение металлических элементов. Разрушение рабочих частей лопастных насосов — одно из самых опасных последствий кавитации. Кроме того, кавитация нередко сопровождается сильным шумом, треском, вибрацией и может привести к падению мощности, напора, подачи и эффективности работы насоса.
На данный момент не существуют материалов, имеющих абсолютную защиту от кавитационных разрушений, поэтому важно избегать ненадлежащей работы насосов в кавитационном режиме. Основные меры по предотвращению кавитации включают регулирование давления на всасывающем трубопроводе. Оптимальные параметры определяются высотой всасывания жидкости во время работы насоса.
Чтобы установить критический кавитационный запас, производители насосов проводят специальные испытания. В результате таких исследований каждая режимная работа насосного оборудования получает кавитационную характеристику, основанную на взаимосвязи между мощностью, напором насоса и кавитационным запасом.
Жильцам многоэтажных домов придется приложить усилия для решения проблемы. Для этого необходимо составить коллективное письмо в управляющую организацию с требованиям предоставления качественных услуг согласно заключенному договору, а также запросить перерасчёт за некачественное предоставление этих услуг.
Что делать при плохом напоре воды в системе водоснабжения частного дома
Низкий уровень давления воды в частном доме, обслуживаемом автономной системой водоснабжения, также является обычной проблемой. В таких домах слабый напор холодной воды, поступающей насосом из скважины или колодца, может стать причиной существенных неудобств в быту, включая невозможность полива садов и зеленых насаждений.
В большинстве случаев проблему слабого напора воды в частных домах и дачах можно решить установкой накопительных баков различных объемов. Эти емкости позволяют аккумулировать жидкость, подаваемую насосной станцией, обеспечивая стабильно высокое давление в системе автономного водоснабжения. Для поддержания постоянного уровня воды в накопительных баках устанавливают поплавковые реле уровня жидкости, которые автоматически включают и отключают насосное оборудование при необходимости.
Схема накопительной системы водоснабжения дома с забором воды из скважины.
Эффективность и надежность автономной системы водоснабжения во многом зависят от правильного монтажа и комплектности насосной станции, которая должна включать следующие элементы:
Закон Паскаля становится более понятным при учете молекулярной структуры вещества. В жидкостях и газах молекулы обладают относительной свободой, что позволяет им перемещаться относительно друг друга, в отличие от твердых тел, где молекулы жестко фиксированы в кристаллических решетках.
Видео описание
Данное видео наглядно продемонстрирует связь между давлением воды и высотой расположения емкости на примере системы капельного полива:
Коротко о главном
Знания, полученные в школьном курсе физики, могут существенно облегчить жизнь и помочь сэкономить деньги. Если применять закон гидростатики Паскаля, можно организовать систему, в которой вода будет поступать в нужные точки самотеком. Это может касаться как умывальника в доме, так и грядки с овощами на даче.
Чтобы устройство работало эффективно, необходимо установить подходящую по объему емкость на нужной высоте. А для определения необходимой высоты можно воспользоваться специальной формулой, позволяющей вычислить давление водяного столба в данной системе. А вся работа будет выполняться благодаря силе тяжести.
На эффективность и надежность автономной системы водоснабжения влияет правильность установки и комплектация насосной станции, в которой должны находиться следующие составляющие.
Кто виноват и что делать?
Дачники могут справиться с проблемой низкого давления в водопроводной системе относительно просто: при помощи различных насосных станций или использованием автономного водоснабжения.
Тем же, кто живет в многоэтажных домах, потребуется приложить определенные усилия. Для этого необходимо составить коллективное письмо в управляющую организацию с требованием о предоставлении качественных услуг в соответствии с договором, а также запрос на перерасчет за некачественные услуги.
Для составления этих документов необходимо официально зафиксировать показатели давления воды в данной системе.
Как поднять давление воды?
Повысить давление воды в отдельной квартире можно следующими способами:
Обратиться в ЖЭК, ДЭЗ или ТСЖ и управляющую организацию. Как показывает практика, обращаться с такими просьбами лучше коллективно. Это значительно увеличит шансы на быстрое решение возникшей проблемы. Если же помощь не была оказана, всегда можно попробовать повысить давление воды в квартире самостоятельно.
Установить самовсасывающий насос, но это решение может оказаться неуместным, так как он будет забирать воду из стояка, оставляя без нее жильцов нижних и верхних этажей.
Монтаж насоса, нацеленного на повышение давления в системе, представляет собой более надежный вариант.
Установить накопительный бак. К этому баку можно подключить различные бытовые приборы, так как это позволит повысить давление в системе, даже если и незначительно.
Последний вариант лучше всего подходит жильцам многоэтажек, особенно в районах, где вода отключается по четкому графику. Такое оборудование может функционировать в автоматическом режиме.
Перед тем как самостоятельно повышать давление воды в водопроводе с помощью специального оборудования, настоятельно рекомендуем попытаться решить проблему «мирным путем». Обычно это приносит свои плоды.
А частично решить проблему также может помочь установка обратных клапанов — они способны улучшить работу системы и предотвратить обратный поток воды.
