Hidraulika/Sadržaj/UVOD

Podjela i značenje hidraulika

Mehanika tekućina zove se hidromehanika i dijeli se na hidrostatiku, nauku o ravnoteži tekućina, i hidrodinamiku, nauku o gibanju tekućina. Nauka o ravnoteži i gibanju tekućina, tj. hidrostatika i hidrodinamika primijenjena na različite grane tehnike zove se tehnička hidromehanika, ili hidraulika.

Hidraulika se bavi rješavanjem praktičkih zadataka iz ravnoteže igibanja tekućina. Značenje hidraulike u tehnici, a naročito u strojarstvu vrlo je veliko. Pomoću zakona hidraulike rješavaju se zadaci o iskorištenju vodne energije; oni su osnova za projektiranje vodnih turbina, najrazličitijih sisaljki i pumpa te ostalih hidrauličkih strojeva, kao što su hidrauličke preše, upravljanje strojevima hidrauličkim putem i sl. Hidraulika služi, osim toga, za rješavanje zadataka iz područja opskrbe vodom, navodnjavanja, odvodnjavanja i vodnog prometa.

Svojstva Tekućina

Slika 1. Adhezija

Slika 2. Kohezija

Slika 3. Razine vode pri adheziji

Fizika 4. Razine vode pri koheziji

Kod svake tekućine postoji kohezija. To je molekularna sila koja djeluje među česticama (molekulama) iste tekućine, i ona je tolika da drži tekućinu na okupu. Pokusima je utvrđeno da svaka čestica vode prianja uz drugu silom od 0,0036 kp/cm². Dakle je potrebna sila od 3,6 ponda da bi se raskinuo vodeni stupac presjeka 1 cm².

Zbog kohezije u tekućini nastaje, kod međusobnog pomicanja molekula, sila koja ima smjer protivan smjeru pomicanja, a zove se unutrašnje trenje u tekućini ili žilavost ili viskoznost tekućine. Viskoznost ovisi znatno o vrsti tekućine. Unutrašnje trenje pojavljuje se samo pri strujanju tekućine, dok ga kod tekućine koja miruje nema.

Kod tekućina su kohezija i unutrašnje trenje maleni, pa stoga tekućine nemaju, osim kao kapljice, samostalan oblik, nego poprimaju oblik posude u kojoj se nalaze, a slobodna je površina mirne tekućine, zbog djelovanjasile teže, horizontalna.

Na one molekule tekućine koje se nalaze u blizini stijenke posude djeluje, osim kohezije, i adhezija, tj. molekularna sila između molekula stijenke i tekućine. Prema prirodi tekućine i stijenke posude može omjer tih molekularnih sila biti različit. Ako je adhezija veća od kohezije, tekućina kvasi stijenku posude, npr. voda i alkohol kvase staklo. U tom slučaju površina se tekućine u blizini stijenke diže uz stijenku (sl.1; na slici je sa P_k označena kohezija, sa P_a adhezija, sa R rezultanta obiju sila). Kod nekih tekućina adhezija je toliko velika da se tekućina diže uvis po stijenki, npr.petrolej. Kod tekućina koje ne kvase stijenku (živa i staklo, voda i masno staklo), a to se dešava kad je kohezija veća od adhezije, površina se tekućine u blizini stijenke spušta niz stijenku (sl. 2).

Karakteristična je za tekućine pojava kapilarnosti. Razina vode, alkohola i tekućina koje kvase staklene stijenke diže se u uskim staklenim cijevima, koje zovemo vlasastim ili kapilarnim cijevima (sl. 3). Kod žive i tekućina koje ne kvase stijenke, razina se u uskoj cijevi spušta, i ona je niža nego u širokoj posudi (si. 4). Visina dizanja, odnosno spuštanja razineobrnuto je proporcionalna promjeru cijevi, a različita je kod raznih tekućina.

Visina dizanja u cijevima iznosi za vodu $h={\frac {30}{d}}$, za alkohol $h={\frac {11}{d}}$, a dubina spuštanja iznosi za živu $h={\frac {15}{d}}$ (mjere u mm).

Površina je tekućine u tankoj cijevi zakrivljena. Kod tekućine koja kvasi stijenku površina je uleknuta, a kod tekućine koja je ne kvasi ona je ispupčena. Takva zakrivljena površina tekućine zove se meniskus.

Pri mjerenju visine stupca tekućine u cijevi uvijek se mjeri do sredine zakrivljene površine, a cijev ne smije biti suviše uska da ne bismo zbog kapilarnosti došli do netočnih rezultata.

Tekućine su vrlo malo stlačive. Pokusima je utvrđeno da se obujam vode smanji samo za 0,5% ako se tlak povisi od 1 na 100 atmosfera. Koeficijent stlačivosti iznosi, prema tome, 5x1O^-6 kp/cm². Nakon što se tlak smanjio na početnu vrijednost, vraća se tekućina na prvobitni obujam. Tekućine su elastične. Zbog toga se udarci na tekućine prenose dalje skoro nesmanjenom snagom. Prilikom mnogih razmatranja, naročito ako se ne radi o posebno visokim tlakovima, uzima se da su tekućine praktički nestlačive. Međutim, ako tekućine usporedimo s krutim tvarima, onda proizlazi da su one u većoj mjeri stlačive.

Često se zbog jednostavnijeg računanja pretpostavlja tzv. idealna tekućina. To bi bila tekućina u kojoj uopće ne bi bilo unutrašnjeg trenjai koja bi bila nestlačiva. Rezultati dobiveni uz pretpostavku da je tekućina idealna odgovaraju stvarnosti u hidrostatici, dok se rezultati u hidrodinamici dobiveni teoretskim putem uz pretpostavku da je tekućina idealna, ne poklapaju s rezultatima koje daju pokusi sa stvarnim ili realnim tekućinama. Da bi se teoretski dobiveni rezultati u hidrodinamici ispravilii i da bi odgovarali stvarnosti, uvode se praktični koeficijenti dobiveni pokusima.

U hidraulici se proučava najvećim dijelom gibanje i mirovanje vode. Specifična težina vode, a to je težina jedinice obujma, mijenja se ponešto s promjenom temperature i tlaka, ali su te promjene toliko malene da se u većini tehničkih računa može uzeti da je specifična težina nepromjenljiva i da je y = 1000 kp/m³. Isto to vrijedi i za gustoću vode. Gustoća ρ općenito je vezana sa specifičnom težinom γ izrazom:

$\rho ={\frac {\gamma }{g}}\left[{\frac {kps^{2}}{m^{4}}}\right]$

pri čemu je g ubrzanje sile teže (g = 9,81 m/s²). Voda ima najveću specifičnu težinu i gustoću kod temperature od 4°C. U ovoj tablici navedene su vrijednosti za γ i ρ vode kod temperature između 0° i 100°C:

temperatura u °C	0°	10°	20°	40°	60°	80°	100°
$\gamma \left[{\frac {kp}{m^{3}}}\right]$	1000	1000	988	992	983	972	958
$\rho \left[{\frac {kps^{2}}{m^{4}}}\right]$	101,9	101,9	101,7	101,1	100,2	99,1	97,8

Za razliku od tekućina, plinovi nemaju stalan obujam, nego ispunjavaju svaki prostor koji im stoji na raspolaganju. Razlog je tome što su sile među molekulama toliko malene da ne drže molekule na okupu. Kod plinova postoji također unutrašnje trenje, ali ono nije uzrokovano molekularnim silama, jer su te sile neznatne. Ako se pojedini slojevi plina gibaju međusobno različitim brzinama, onda molekule jednog sloja zbog svog molekularnog gibanja zadiru u susjedni sloj. Time kao da nastaje neka veza između susjednih slojeva i težnja za izjednačenjem brzina obaju slojeva. Brži se sloj zaustavlja. Posljedica je toga sila slična trenju,sa smjerom koji je protivan smjeru strujanja.

Obujam plinova znatno se mijenja s promjenom tlaka i temperature. Iskustvo je pokazalo da se gustoća pri strujanju do brzine od 50 m/s (= 180 km/h) malo mijenja (u svemu oko 1%). Ako se zanemari tako malena promjena gustoće uzduha, onda i za nj približno vrijede zakoni koji su izvedeni za tekućine u gibanju, odnosno za plinove u kojima se gibaju druga tijela. Kako su zakoni hidraulike jednostavni, oni se mnogo primjenjuju i u aerodinamici, ali, naravno, samo za manje brzine (do približno 50 m/s).

Za uzduh pod normalnim atmosferskim tlakom (760 mm stupca žive) vrijede u pogledu specifične težine i gustoće ove vrijednosti:

temperatura u °C	-20°	-10°	0°	10°	20°	40°	60°	80°	100°
$\gamma \left[{\frac {kp}{m^{3}}}\right]$	1,39	1,34	1,29	1,24	1,20	1,12	1,06	0,99	0,99
$\rho \left[{\frac {kps^{2}}{m^{4}}}\right]$	0,142	0,137	0,132	0,127	0,123	0,114	0,108	0,101	0,096

Plinovita tijela i tekućine zovu se zajedničkim imenom fluidi.

Pri većim brzinama plinova nastaju veće promjene u gustoći, tlakovima i temperaturama, pa se takvi problemi rješavaju u termodinamici.

Pojam specifičnog tlaka

Slika 5. Sile po površini

Na ploču A površine F djeluje sila P (sl. 5). Ta se sila prenosi preko ploče A, tako da ploča A djeluje na podlogu B također silom P. Istom silom, ali protivnog smjera djeluje podloga B na ploču A (akcija = reakciji).Pri tom sila P tlači na ploču A u jednoj točki, a ploča A djeluje čitavom svojom površinom F na podlogu B. To znači: sila P ne djeluje na podlogu B u jednoj točki, nego se ona rasprostire po čitavoj površini F. Ako je tijelo A kruto, i ako su dodirne površine tijela A i podloge B ravne, ondaće se sila P jednoliko razdijeliti po površini F.

Na jedinicu površine otpada sila ${\frac {P}{F}}$. Sila koja djeluje na jedinicuFpovršine zove se tlak ili specifični pritisak i bilježi se slovom p.

$p={\frac {P}{F}}$

U tehnici sila se mjeri u kp, a površina u cm², pa je dimenzija jedinice za spec. tlak $\left[{\frac {kp}{cm^{2}}}\right]$. Jedinica za spec. tlak od 1 kp/cm² zove se tehnička atmosfera, ili, kraće, atmosfera, i bilježi se oznakom at. U hidraulici se dužine, površine i obujmi redovito mjere u m, m² i m³, pa je u tom slučaju kp/m² oznaka za tlak.

Kako je 1 m² = 10 000 cm², to je

1 at = 1 kp/cm² = 10 000 kp/m²

U Sjedinjenim Američkim Državama, u Engleskoj, u engleskim dominionima i kolonijama upotrebljava se za mjerenje tlaka jedinica od jedne funte na kvadratni palac (oznaka 1 lbs/sq inch ili psi); pri tome je 1 funta (1 lb) = 0,454 kp, a 1 palac (col) = 2,54 cm. Pri preračunavanju vrijedi:

1 lbs/sq inch = 0,0703 kp/cm2

1 kp/cm2 = 14,223 lbs/sq inch

100 lbs/sq inch = 7 kp/cm2