Fontána je v podstatě druh vodní stavby, která je postavena za jediným účelem – vytvořením různých architektonických forem z jednoho jediného materiálu – vody. Vše ostatní ve fontáně je vedlejší.
Tak co je to za vodu?
Voda je fyzické tělo definované jako kapalina. Hlavní vlastností vody je její tekutost a neschopnost udržet si tvar v důsledku neomezené pohyblivosti jejích složek. Tato vlastnost umožňuje vodě zaujmout tvar nádoby, ve které se nachází. Druhou vlastností vody je její vysoká odolnost proti stlačení (téměř úplná nestlačitelnost). Za třetí, nízká odolnost vůči tahovým a tangenciálním silám.
Tlak
Tlak je síla, která působí na jednotku plochy a směřuje podél normály. Tlak v soustavě SI se měří v pascalech. Pokud je tlaková síla „F“ rovnoměrně rozložena po ploše „S“, pak je průměrný tlak určen podle vzorce: P = F/S. Ve strojírenství je základní jednotkou tlaku atmosféra (technická atmosféra) a ve fontánovém strojírenství – bary a metry vodního sloupce. Kladný přetlak se měří tlakoměrem, záporný přetlak vakuometrem.
- 1 atm. (technické) = 98066,5 Pa = 0,980665 bar = 10 m.w.st.
- 1 newton (1 N) je síla, která uděluje zrychlení 1 m/s2 na jeden kilogram hmotnosti.
- 1 kg = 9,807 N
- 1H = 0,102 kg
Hustota
Hustota charakterizuje rozložení hmoty kapaliny „M“ přes její objem „V“.
Hustota homogenní kapaliny je poměr hmotnosti kapaliny k jejímu objemu. ρ = M/V. Obecně platí, že hustota závisí na tlaku a teplotě, ale protože za normálních podmínek je kapalina pod atmosférickým tlakem a změna teploty je nevýznamná, lze hustotu kapaliny považovat za téměř konstantní, tzn. ρ = konst.
- hustota destilované vody při 4ºС je 1000 kg/m3
- Hustota mořské vody je 1020-1030 kg/m3
- hustota vzduchu při 0ºС a normálním tlaku je 1,293 kg/m3
Stlačitelnost
Stlačitelnost kapaliny je její schopnost zmenšit svůj objem vlivem vnějších sil. Kapaliny se vyznačují velmi nízkou stlačitelností, například pro sladkou vodu při teplotách od 0 do 20 °C a zvýšení tlaku o 25 at. objem kapaliny se zmenší o 1/21000 původní hodnoty. V důsledku toho je kapalina fyzické těleso, které nemá konkrétní tvar, ale má konstantní objem, proto se při řešení většiny hydraulických problémů nebere v úvahu stlačitelnost kapaliny.
Teplotní expanze
Kapaliny, stejně jako pevné látky a plyny, mění svůj objem a hustotu při změnách teploty. Voda má největší hustotu při teplotě t = 4ºC: = 1000 kg/m3. Při ochlazení vody ze 4 na 0ºС se její objem zvětší a hustota nabude hodnoty = 999,87 kg/m3. Led vytvořený z vody o teplotě 0ºC má hustotu = 918 kg/m3. Při zahřátí vody nad 4°C se zvětší i její objem. Vlastnost kapaliny měnit svůj objem se změnou teploty se odhaduje pomocí koeficientu tepelné roztažnosti βt.
Tok
Proudění je pohyb hmoty kapaliny ohraničené soustavou pevných povrchů (potrubí, kanál). Níže jsou uvedeny příklady rozložení rychlosti v axiální rovině v úsecích potrubí a v otevřeném kanálu:
Proudnice je křivka, v jejímž každém bodě k ní vektor rychlosti v daném čase směřuje tečně. Sada proudnic poskytuje obraz toku v daném časovém okamžiku, který se používá k vizuálnímu znázornění prvků toku:
Pohyb vodního toku v potrubí může být rovnoměrný (pohyb v potrubí o stejném vnitřním průměru) a nerovnoměrný (klesající – zvětšující se vnitřní průměr). Při rovnoměrném pohybu se rozložení hlavních parametrů (rychlosti, tlak) po průřezu potrubí podél toku nemění.
Způsoby pohybu tekutin.
První režim je laminární pohyb (lamina – vrstva), tzn. vrstvený, uspořádaný pohyb, při kterém jednotlivé vrstvy kapaliny klouzají po sobě, aniž by se vzájemně mísily.
V praxi dochází k laminárnímu režimu:
- a) při pohybu velmi viskózní kapaliny;
- b) když se kapalina pohybuje v kapilárách;
- c) když se kapalina pohybuje velmi nízkou rychlostí.
Druhým režimem je turbulentní pohyb (turbulentus – vír), tzn. vír neuspořádaný pohyb, při kterém se částice kapaliny pohybují po složité, neustále se měnící trajektorii a kapalina se intenzivně promíchává. Turbulentní režim je pozorován mnohem častěji než laminární, a to: když se voda pohybuje v řekách, kanálech a potrubích a v jiných případech.
Přechod z laminárního na turbulentní pohyb nastává při určité rychlosti, která je však pro různé kapaliny a pro různé průměry potrubí různá, s rostoucí viskozitou se zvětšuje a s zmenšujícím se průměrem potrubí klesá.
Charakteristiky režimu pohybu tekutiny jsou určeny Reynoldsovým číslem.
Reynoldsovo číslo je mimo jiné ovlivněno vstupními podmínkami, povrchy stěn, přítomností počátečních poruch atd. Poměrně přesným měřením pohybu tekutiny v kulatých hladkých trubkách, v úsecích dostatečně vzdálených od výstupu a v bez rušení bylo zjištěno, že při hodnotě Reynoldsova čísla menšího než 2320 jednotek bude režim pohybu stabilně laminární. Pro otevřené kanály je kritické Reynoldsovo číslo 580. Za určitých podmínek může existovat turbulentní režim při Re číslech výrazně nižších než 2320. Například u pružných hadic objemového hydraulického pohonu dochází k turbulentnímu režimu při Reynoldsových číslech kolem 1000, což se vysvětluje pulzací průtoku a tlaku objemových čerpadel, pohyblivostí ohebných hadic a některými dalšími důvody.
Tlakové a netlakové toky. K proudění tlaku dochází pod vlivem tlaku, obvykle většího než atmosférický tlak, udělovaného nějakým vnějším zdrojem (čerpadlem). Gravitační pohyb je takový, ve kterém se tekutina pohybuje pod vlivem gravitace; je charakterizována přítomností volné hladiny v toku. Příklady netlakového pohybu jsou: proudění vody v řekách, kanálech a kanalizačních potrubích.
Průřez živého toku – průřez kolmý ke směru proudění.
Smáčený obvod — linie kontaktu kapaliny se stěnami toku v daném živém úseku.
Hydraulický poloměr – poměr plochy obytného průřezu k jeho smáčenému obvodu.
Spotřeba kapalin je objem procházející průřezem průtoku za jednotku času.
Rychlost proudění. Když proudí skutečná (viskózní) tekutina, nejsou rychlosti napříč průřezem kanálu stejné (u stěn jsou rovné nule). Proto se v inženýrských výpočtech používá průměrná rychlost, která je definována jako poměr objemového průtoku vody k jejímu průřezu. Čím menší je tedy plocha průřezu, tím větší je rychlost. Poměr středních rychlostí proudění (U1 a U2) je nepřímo úměrný poměru druhých mocnin jejich průměrů (D1 a D2). To znamená, že pokud se průměr průřezu trubky zvětší 2krát, rychlost proudění se sníží 4krát.
příklad: Je známo, že rychlost proudění vody v potrubí je 4 m/s a průměr potrubí je 32 mm. Je nutné snížit rychlost proudění na 1 m/s. Jaký průměr trubky by měl být instalován místo trubky 32 mm?
D1 = 32 mm = 0,032 m
D2 = 0,064 m = 64 mm
Přesně řečeno, rychlost nebo objemový průtok vody se počítá pouze pro laminární proudění. Pro turbulentní pohyb neexistuje čistě teoretické řešení a všechny vzorce a vzorce jsou získány buď přímo ze zkušenosti, nebo jsou semiempirického charakteru.
To je vysvětleno výjimečnou složitostí struktury turbulentního proudění, jehož vnitřní mechanismus stále není zcela objasněn. Změříme-li změnu rychlosti v čase v jednom bodě vysoce citlivým přístrojem – termohydrometrem, dostaneme diagram v podobě nějaké pulsace. Ale průměrná rychlost za dostatečně dlouhou dobu zůstane konstantní.
Rychlost pohybu vody v potrubí měřeno vzorcem:
V (m/s) = 4Q/πDD, kde
Q je spotřeba vody v metrech krychlových za sekundu;
D – průměr potrubí v metrech
Hydrostatický tlak – jedná se o tlakovou sílu vodního sloupce nad určitou, konvenčně určenou úrovní. Hydrostatický tlak je způsoben gravitací. Základní rovnice hydrostatiky: celkový tlak P v libovolném bodě kapaliny v klidu je součtem tlaku na jejím volném povrchu a tlaku ρgh vytvořeného sloupcem kapaliny o výšce h (Pg.=P0 + ρgh, kde ρ = 1000 kg/m3).
Příklad: Z mísy fontány je vedeno potrubí do technické místnosti umístěné pod zemí, na jejímž konci je instalován ventil. Dno potrubí se nachází tři metry pod hladinou vody ve fontáně. Jaký tlak působí na těleso ventilu?
Rizb.=P0 + ρgh = 0 + 1000*9,8*3 = 29400 Pa = 29,4 kPa = 0,29 atm = 2,9 m.w.s.
Barometrický (atmosférický) tlak závisí na nadmořské výšce a povětrnostních podmínkách. Normální barometrický tlak se považuje za 760 mmHg. Barometrický tlak působí na volnou hladinu vodních toků, přírodních a umělých nádrží.
Absolutní (celkový) tlak určeno vzorcem Р=Р0 + ρgh.
Zákon Pascal:
“Jakákoli změna tlaku v kterémkoli bodě kapaliny v klidu, která nenarušuje její rovnováhu, se beze změny přenáší do zbývajících bodů.”
Konstrukce mnoha hydraulických strojů, stejně jako fontán, je založena na použití Pascalova zákona.
Tlak a tlak. Poměr tlaku (P) k součinu ρg (ρ-hustota dané kapaliny) má rozměr délky a vyjadřuje se v metrech. Rovnost (Н=Р/ρg) vytváří spojení mezi tlakem a určitou délkou Н, která se nazývá tlak. Převedeme atmosférický tlak na metry vodního sloupce:
1 atmosféra = 98 000 Pa.
H = 98 000/(1000 x 9,8) = 10 m.v.s.
1 atmosféra = 10 m.v.s.
Ztráta tlaku – velikost tlaku vynaloženého na překonání případného místního odporu (zúžení/rozšíření průtoku, otáčení).
Difuzor — zařízení pro plynulý přechod z menšího průměru potrubí na větší. Hlavním účelem difuzorů je postupné snižování průtoků a tím obnovení tlaku s minimálními ztrátami. V difuzoru je pohyb proudění mnohem méně stabilní než ve válcovém potrubí. V expandující trubce dochází k přechodu z laminárního na turbulentní pohyb při výrazně nižších Reynoldsových číslech než u válcového. V difuzéru může dojít k oddělení proudění i při malých úhlech expanze. Důvodem oddělení proudění je přítomnost tlakového gradientu po délce stěny. V blízkosti stěny potrubí, kde jsou rychlosti proudění již velmi nízké kvůli viskozitě, tlakový gradient dále brzdí pohyb částic kapaliny. To může způsobit zastavení tekutiny v mezní vrstvě a dokonce i pohyb v opačném směru. V tomto případě je hlavní proud jakoby odsunut od stěny – dochází k oddělení.
Při úhlech roztažení difuzoru do 40 stupňů nedochází k oddělení po celé ploše, ale pouze na jejím určitém úseku. Při úhlech větších než 40 stupňů je proud kapaliny zcela oddělen od celého povrchu difuzoru. Separace výrazně snižuje účinnost difuzoru a zvyšuje ztráty v něm.
Difuzor se vyznačuje dvěma parametry: úhlem kužele a stupněm roztažení.
Zmatený — zařízení pro plynulý přechod z většího průměru potrubí na menší. Hlavním účelem konfuzorů je snížit tlak v potrubí. Jak kapalina proudí v konfuzoru, rychlost podél potrubí se zvyšuje a tlak klesá. Protože se kapalina pohybuje z vyššího tlaku do nižšího tlaku, nedochází v konfuzoru prakticky k žádnému oddělení a může existovat pouze na výstupu z konfuzoru, na spoji kuželové trubky s válcovou. Proto Odpor difuzoru je vždy větší než u konfuzoru se stejnými parametry.
Dosah tryskového boje. Dosah paprsku závisí na tvaru a velikosti trysky, způsobu pohybu vody, úhlu sklonu vůči horizontu a tlaku. Experimentální vzorec N.P. Gavyrin umožňuje vypočítat bojový dosah hydromonitorového proudového letadla.
Zdarma hydraulická tryska je proudění tekutiny neomezené pevnými stěnami. Struktura hydraulických proudů je taková, že pokud bylo proudění v potrubí, trysce nebo díře laminární, pak po opuštění zůstane laminární, pokud bylo turbulentní, zůstane turbulentní i v budoucnu.
Pokud proud proudí do média s nižší hustotou nebo do plynného média, nazývá se nezaplavený volný proud.
Zařízení tvořící volné proudy jsou nejčastěji trysky. Typ trysky závisí na účelu paprsku. V sprinklerových systémech se používají kónicky rozbíhavé trysky. V požárních tryskách a hydraulických monitorech jsou sbíhající se kuželové a konoidní trysky.
Představte si obrovský oceán nebo jen bazén naplněný vodou. Voda, zdálo se byJen tekutina, ale má neuvěřitelné silouTa síla – hydrostatický tlak, na které má voda všechny předmětynachází se v něm nebo na jeho povrchu. Pochopení tohoto tlaku je klíčem k mnoha inženýrským úkoly, od navrhování vodovodních rozvodů ve vícepatrových budovách až po tvorbu ponorek .
Tento jev je založen na hmotnost vodyČím vyšší je pól voda, více jeho hmotnosta tím silnější tlakkterý vykresluje ke dnu nebo stěny nádoby. Je to, jako byste skládali jednu cihlu na druhou – čím vyšší zásobníku, více hmotnosti, kterou tlačí na základnu.
V tomto článku podrobně popisujeme pojďme to vyřešit, jak se vypočítá tlak vody pilířjaké faktory ovlivňují jeho velikost, jak se tento tlak uplatňuje v každodenním životě život a jaké nuance je důležité zvážit při navrhování systémů zásobování vodou.
Přejděte do sekce, která vás zajímá, výběrem příslušného odkazu:
