Полные лекции по аэродинамике и динамике полета. Часть 1
Страница 4
Силы, распределенные по поверхности S, называются поверхностными. Поверхностные силы будем обозначать вектором
и относить к элементу поверхности DS сплошной среды. Т.е.
имеет размерность давления. Такие силы возникают, например, на свободной поверхности среды, при взаимодействии среды с твердыми телами, а также внутри среды (внутренние поверхностные силы).
Внутренние поверхностные силы необходимо рассматривать при изучении движения отдельных частиц среды с учетом их механического влияния друг на друга. Так, например, происходит при относительном движении двух соседних соприкасающихся частиц. Это явление может наблюдаться в любом месте сплошной среды, причем для бесконечно малых частиц поверхности соприкосновения dS можно построить любым образом. Тогда и
, зависящее от такого выбора, можно определить по-разному в зависимости от dS, т.е. ориентации нормали этой площадки, поэтому такое взаимодействие обозначим вектором
S. В силу третьего закона Ньютона на одну из пары соприкасающихся частиц действует сила
SdS, на другую –
SdS. Однако если соприкосновения нет, т.е. если движение имеет разрыв каких-то своих характеристик, то последнее условие может нарушаться.
Вектор
S в общем случае не перпендикулярен к dS, поэтому различают нормальную составляющую pSn, называемую нормальным напряжением или нормальным давлением, и тангенциальную pSt, называемую касательным напряжением или внутренним трением:
SdS= pSn
dS + pStt dS.
Свойство вектора
S рассмотрим с помощью представления бесконечно малой частицы в виде тетраэдра с ребрами, параллельными осям координат (рис. 2). Площади граней такого тетраэдра равны S, SЧcos(
,x), SЧcos(
,y), SЧcos(
,z).
Массовые силы будем считать постоянными во всем объеме W = hS/3 бесконечно малой частицы, а поверхностные силы
1,
2,
3,
S постоянными на своих гранях. Это позволит применить к частице начало Даламбера из теоретической механики:
откуда, сократив на S, и перейдя к пределу при h ® 0, получаем инвариантное к выбору площадки равенство:
. (2.1)
Это означает, что существует некоторый объект P, компонентами
которого можно рассматривать векторы
, или даже элементы матрицы (pij) – матрицы из компонент векторов
. Объект P с компонентами pij называется тензором внутренних напряжений.
Равенство (2.1) позволяет применить теорему Остроградского-Гаусса (1.10) к расчету поверхностных сил:
(2.2)
Кроме сил на каждую частицу жидкости могут действовать и моменты. Примером может служить момент магнитного поля Земли, действующий на каждый элемент стрелки компаса. Такой момент, который действует на элемент массы Dm, будем обозначать
. Его принято называть массовой парой (массовым моментом). Размерность
совпадает с размерностью квадрата скорости.
Момент, который действует на элемент поверхности DS, будем обозначать
. Он называется поверхностной парой (поверхностным моментом) и имеет размерность силы, деленной на длину.