Введение. иметь представление об истории развития гидравлики; знать: физические величины и единицы их измерения уметь: переводить единицы измерения

Студент должен:

иметь представление об истории развития гидравлики;

Краткий очерк истории развития гидравлики, ее задачи. Гидравлика и экология. Основные понятия и определения. Физические величины и единицы их измерения.

Литература. [2], стр.5-8, 9-10; [9], стр.5-7, 9-11; [11], стр.5-7, 9-10; [7], стр.6-8

Методические указания

Краткий очерк истории гидравлики

Гидравлика – инженерная дисциплина, изучающая законы покоя (равновесия) и движения жидкости, ее взаимодействия с твердыми телами и приложение (применение) этих законов для решения конкретных практических задач.

Своими корнями гидравлика уходит в доисторические времена, когда человек перешел к оседлому сельскому хозяйству, и был вынужден заняться орошением земли. Тысячелетиями накапливавшиеся опыт и наблюдения помогли создать многочисленные оросительные каналы, водопроводы и водоподъемные сооружения древнего мира, часть которых сохранилась до настоящего времени.

Первым ученым, чьи труды в области гидравлики дошли до нас, был Архимед (ок. 287-212 гг. до н. э.), открывший, в частности, закон плавания тел. В сочинениях Герона (ок. I в.) приведены описания различных гидравлических устройств, в том числе насосов. В античные времена закладывался фундамент гидравлики как прикладной науки. В эпоху Средневековья развитие научной мысли было приостановлено, и лишь спустя тысячелетие, в эпоху Возрождения, начался новый период расцвета науки и искусства. В это время трудами Леонардо Да Винчи (1452-1519 гг.), Г. Галилея (1564-1642 гг.), Б. Паскаля (1623-1662 гг.) были заложены основы экспериментальной гидравлики, а И. Ньютоном (1642-1727 гг.) – теоретической ее ветви.

Бурное развитие гидравлика получила в эпоху капитализма, характе­ризуемую развитием промышленности и ростом городов. Исследования А. Шези (1718-1798 гг.), А. Дарси (1803-1856 гг.), Ю. Вейсбаха (1806-1871гг.), О. Рейнольдса (1842-1912 гг.), а также русских ученых Д. И. Менделеева (1834-1907 гг.), Н.П. Петрова (1836-1920 гг.), Н.Е. Жуковского (1847-1921 гг.) и других позволили решить многие насущные для практики задачи.

Параллельно с прикладной гидравликой начала развиваться гидро­механика как самостоятельная часть теоретической механики. Велик вклад в эту область крупнейших математиков и механиков XVIII в., членов Российской Академии наук Л. Эйлера (1707-1783 гг.) и Д. Бер-нулли (1700-1782 гг.).

Исследования основоположников гидромеханики и их последова­телей Ж.Л. Лагранжа (1736-1813 гг.), Д. Г. Стокса (1819-1903 гг.), русских и советских ученых И. С. Громеки (1851-1889 гг.), С. А. Чаплы­гина (1869-1942 гг.), Н.Е.Кочина (1901-1944 гг.) и других носили в основном теоретический характер и ставили своей целью выявление общих закономерностей движения жидкости.

В конце XIX-началеXX вв. начинается взаимный обмен методами прикладной гидравлики и гидромеханики. Этому особенно способство­вали работы Л. Прандтля (1875-1953 гг.). Современная гидравлика использует мощный математический аппарат гидромеханики и экспери­ментально полученные зависимости и коэффициенты в тех случаях, когда теоретические исследования явлений затруднены.

В современной промышленности нет области, где не проводятся гидравлические расчеты процессов, устройств и механизмов. Крупней­шие гидростанции и оросительные каналы, тормозные устройства авто­мобилей и искусственное сердце, промышленные роботы и гидропривод машин и механизмов, автоматизированные системы управления произ­водством и гидрооборудование металлообрабатывающих станков – лишь некоторые тому примеры.

Особое значение гидравлика имеет для нефтяной и газовой про­мышленности, так как все ее процессы, начиная от бурения разведочных скважин и кончая транспортировкой готовой продукции потребителю, связаны с перемещением и хранением жидкости. В развитии нефтяной гидравлики роль русских и советских ученых проявилась особенно ярко. В. Г. Шухов (1853-1939 гг.) разработал основы гидравлического расчета трубопроводов, которые затем развили Л. С. Лейбензон (1879-1951 гг.) и его ученики И.А. Чарный (1909-1967 гг.), В.И. Черникин (1912-1965гг.) и др. На базе работ Н. Н. Павловского (1884-1937 гг) Л. С. Лейбензон заложил основы новой науки «Подземная гидравлика», которую успешно развивали его ученики И. А. Чарный, В. Н. Щелкачев (род. 1907 г.), Б. Б. Лапук (1911-1971 гг.) и созданные ими школы.

В настоящее время существуют многочисленные научно-исследо­вательские, академические и отраслевые институты и лаборатории, в которых ведутся как фундаментальные исследования, так и необ­ходимые для практики научные разработки в области гидравли­ки. Созданы крупнейшие гидротехнические сооружения: Саяно-Шушенская ГЭС и Каракумский канал. Строятся гидроаккумулирующие и приливные электростанции, Ленинградская защитная дамба. У нас в стране создаются мощные гидравлические турбины и гидравлические экскаваторы. Широкое развитие получает гидравлический способ добы­чи угля. Вступили в строй мощные магистральные трубопроводы, транспортирующие нефть и газ из Поволжья и Западной Сибири (Трансъевропейский нефтепровод «Дружба» имеет протяженность 5500 км, а газопровод Петровск - Новопсков – свыше 6000 км). Впервые в мировой практике проложены газопроводы диаметром 1420 мм. Уже к 1987 г. протяженность отечественных магистральных нефтепродуктопроводов достигла 100 тыс., а газопроводов – 200 тыс. километров. Широкое применение получает трубопроводный транспорт химических продуктов и сыпучих тел, в том числе угля. Построен аммиакопровод Тольятти-Одесса длиной 2400 км (в США строится углепровод «Коулстрим» протяженностью 3000 км.) Развиваются новые виды транспорта – пневмо- и гидроконтейнерный, позволяющий по трубопроводам транспортировать в специальных контейнерах руду, сельскохозяйственную и промышленную продукцию, промышленные и бытовые отходы. Следовательно, в современном народном хозяйстве гидравлика завоевывает все новые позиции.

Гидравлика и экология

Современные предприятия выбрасывают в окружающую среду (землю, воду и воздух) миллионы тонн вредных веществ и соединений. Идет активное, плохо контролируемое наступление на среду обитания всего живого на Земле. В нарушение экологического равновесия весомый «вклад» вносит и нефтегазовая промышленность. Разрушение и загряз­нение почвы и водных источников при бурении скважин и обустройстве промыслов, аварии, приводящие к выбросам из скважин и трубопрово­дов газа, нефти и нефтепродуктов, сопровождающиеся зачастую пожа­рами и взрывами, – вот основные виды экологических потрясений, сопровождающие работу отрасли. Остановимся лишь на некоторых примерах, причиной которых часто бывают неквалифицированные гид­равлические расчеты проектировщиков и эксплуатационников.

В бурении неправильное определение требуемой плотности промы­вочной жидкости может привести к аварийным выбросам при вскрытии нефтегазоносных пластов с последующим фонтанированием углеводо­родов в атмосферу. Известны случаи, когда ликвидировать фонтан не удавалось месяцами и даже годами.

Таже причина, а также нарушение технологии цементажа скважины может привести к проникновению нефти и газа в водоносные пласты, используемые как источники питьевой воды.

При эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, а также подземных хранилищ газа возможны аварийные разливы нефти и химических реагентов из плохо рассчитанных резервуаров. Ошибки в гидравлических расчетах при закачке газа в газохранилища или при гидроразрыве продуктивных пластов могут привести к разрушению целостности скважин с последующим перетоком газа и нефти в водо­носные горизонты или на дневную поверхность, причем иногда вдали от места аварии.

При эксплуатации газонефтепродуктопроводов неучет возможности возникновения гидравлического удара или неточности в определении возможного повышения при этом давления могут привести к разрыву труб. В результате трубопровод разрушается, и большие количества углеводородов вытекают через образовавшиеся разрывы и трещины. Известны случаи, когда при этом не только отравлялась окружающая природа, но в результате пожаров и взрывов гибли сотни людей.

Число таких примеров можно было бы продолжить, но и так уже ясно, что умение грамотно производить гидравлические расчеты имеет не только производственное, но и природоохранительное значение.

Физические величины и единицы их измерения

Под физической величиной понимается свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого отдельно.

Единица физической величины – это физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное 1.

Основная единица – единица основной физической величины, выбранная произвольно при построении системы единиц.

Производная единица – единица физической величины, образуемая по определяющему эту единицу уравнению из других единиц данной системы.

Система единиц физических величин – совокупность единиц, относящихся к определенной системе величин и образованная в соответствии с принятыми принципами.

1 Система интернациональная (международная) – СИ (м)

Основные единицы: длина, [L] – м;

масса, [M] – кг;

время, [T] – с.

Сила P = m∙a,

где m – масса;

a – ускорение.

Тогда [P]_СИ = [M]∙[a] = [M]∙ [L]/[T]² = кг∙м/с² = Н (ньютон)

2 Система физическая – СГС (ф)

Основные единицы: длина, [L] – см;

масса, [M] – г;

время, [T] – с.

Тогда [P]_ф = [M]∙[a] = [M]∙ [L]/[T]² = г∙см/с² = дина

3 Система техническая – МКГСС (т)

Основные единицы: длина, [L] – м;

сила, [P] – кгс;

время, [T] – с.

Масса m = P/a.

Тогда [M]_т = [P]/[a] = [P]∙ [T]²/[L] = кгс∙с²/м = т е м (техническая единица массы)

Перевод в СИ

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое гидравлика?

2. Краткая история развития гидравлики

3. Назовите имена ученых, которые внесли вклад в развитие гидравлики

4. Какое значение имеет гидравлика для нефтяной и газовой промышленности?

5. Что такое экология?

6. Какова связь гидравлики и экологии?

7. Что такое физическая величина?

8. Что такое единица физической величины?

9. Что такое основная единица?

10. Что такое производная единица?

11. Что такое система единиц физических величин?