УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА СВОЙСТВ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО (ВЕСОВОГО) ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ
DEVICE FOR PROOF OF PROPERTIES OF HYDROSTATIC (WEIGHT) OF LIQUID PRESSURE

Изобретение относится к устройствам для проведения лабораторных работ по инженерному курсу «Гидравлика» и является наглядным пособием для доказательства свойств весового гидростатического давления.
Эти свойства таковы:
1. Гидростатическое давление действует перпендикулярно к площадке действия и направленно в ее сторону.
2. Оно действует по всем направлениям одинаково, независимо от ориентации площадки (закон Паскаля).
3. Оно линейно зависит от глубины погружения площадки действия под уровнем воды.
В учебнике «Гидравлика» P.P. Чугаева (1986 г.) первое свойство практически не доказывается теоретически. Второе и третье свойство доказывается аналитически.
В учебнике «Основы гидравлики, водоснабжения и канализации» авторов В.И. Калицин, B.C. Кедров, Ю.М. Ласков, П.Ф. Сафонов первое свойство доказывается методом от противного, а остальные тоже аналитически.
Экспериментальных методов доказательства этих свойств в опубликованных работах не встречалось. Нет таких устройств в лабораториях гидравлики Ленинградского политехнического университета и Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности демонстрации гидростатического давления жидкости.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для доказательства трех свойств весового гидростатического давления содержит замкнутую емкость, выполненную из тонколистового материала и имеющую поверхности, наклоненные к горизонту под разными углами, соединенные с емкостью прозрачные трубки-пьезометры, одна из которых, с воронкой, служит для наполнения емкости водой, а другие выполнены как сообщающиеся сосуды для фиксации уровней воды на одном горизонте, при этом две трубки присоединены к емкости на одном уровне, но к различно наклоненным поверхностям емкости, а одна подключена у дна емкости, причем в различно наклоненных к горизонту поверхностях емкости просверлены отверстия с возможностью закрывания их пробками, служащие для визуального наблюдения траекторий струек воды.
На чертеже схематично показано это устройство, выполненное из обычной консервной банки тонкостенной жести и демонстрируемое в течение пяти лет при чтении лекций или при проведении лабораторных работ в Борисоглебском филиале Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.
Устройство включает емкость (банку) 1 с вертикальной цилиндрической гладкой поверхностью, донья и крышки с рифлеными поверхностями 2, на которых имеются горизонтальные и наклонные к горизонту участки поверхности.
В центре крышки припаян штуцер и к нему присоединена прозрачная трубка-пьезометр (3) с воронкой для заполнения емкости водой. В верхнем углу емкости на одном уровне присоединены два пьезометра-уровнемера из прозрачных труб: один (5) к вертикальному участку поверхности, другой (4) к горизонтальному.
Третий пьезометр (прозрачная трубка) 6 подключен у дна емкости. Сверлом малого диаметра просверлены отверстия 7, 8 и 9 соответственно на горизонтальной наклонной и вертикальной поверхностях. Эти отверстия при заполнении емкости водой закрываются конусообразными (на данном устройстве) или иными пробками.
Доказательство свойств проводится следующим образом.
Через прозрачную трубку 3 с воронкой емкость заполняется водой. Воздух из емкости вытесняется через пьезометры 4, 5 и открытые отверстия 7, 8. После вытеснения воздуха отверстия 7 и 8 закрываются пробками, и уровни воды во всех прозрачных трубках устанавливаются на одном горизонте.
Для доказательства первого свойства открывается одно из отверстий поочередно или все вместе. При этом отчетливо наблюдаются траектории всех струек, «вылетающих» из всех отверстий под углом 90° к площадкам. Все струйки «вылетают», естественно, под действующим давлением, равным разнице отметок горизонта воды во всех трубках и отметки отверстия.
Доказательством второго свойства гидростатического давления служит равенство уровней воды в пьезометрах (прозрачных трубках) 4 и 5 при закрытых пробках. Это говорит о равенстве давлений на вертикальную и горизонтальную площадки действия. Если бы была рядом с пьезометрами 4 и 5 наклонная на том же уровне от горизонта площадка и к ней бы был подключен пьезометр, результат был бы тот же.
2
Третье свойство подтверждается показанием прозрачной трубки пьезометра 6. Поскольку гидростатическое давление может измеряться не только в паскалях, кг/см, атмосферах, но и в метрах (сантиметрах) водяного столба, то показание пьезометра 6 свидетельствует о том, что давление по глубине увеличивается с заглублением линейно.