КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ ГИДРАВЛИКИ

В.А.Кудинов, Э.М.Карташов

ГидрАВЛика

Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших технических учебных заведений

Москва

«Высшая школа»

УДК 621.036.7

ББК 31.31

К

Рецензенты:

Кудинов В.А., Карташов Э.М.

К Гидравлика. Учеб. пособие для втузов.

М.: Высш. шк., 2004.– 180 с.: ил.

ISBN 5-7964–0330-3

В книге рассмотрены вопросы гидравлики, включенные в программу курса для студентов инженерно-технических специальностей высших учебных заведений. Достаточно подробно изложены основные физико-механические свойства жидкостей, вопросы гидростатики и гидродинамики, даны основы теории гидродинамического подобия, рассмотрены классификация гидравлических потерь, гидравлический расчет трубопроводов и другие вопросы гидравлики.

УДК 621.036.7

ББК 31.31

Глава 1

ВВЕДЕНИЕ

КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ ГИДРАВЛИКИ

Гидравликой называется прикладная наука, в которой изучаются законы движения и равновесия жидкости и даются способы приложения этих законов к решению конкретных технических задач.

Гидравлика - одна из самых древних наук в мире. Об этом говорят результаты археологических исследований. Они показывают, что еще за 5000 лет до нашей эры в Китае и других странах древнего мира уже существовали оросительные каналы и были известны простейшие устройства для подъема воды. В Риме сохранились остатки древнего водопровода, построенного за
6 веков до начала нашей эры.

Первым сочинением по гидравлике считается трактат греческого физика Архимеда “О плавающих телах“, написанный за 250 лет до нашей эры.
Архимедом был открыт закон равновесия тела, погруженного в жидкость. После этого гидравлика почти 17 столетий не пополнялась новыми законами и открытиями вследствие застоя науки в средние века.

Новые работы по гидравлике стали появляться лишь в XVI - XVII вв.
в эпоху возрождения. В конце XV в. итальянский ученый Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.) занимался изучением истечения жидкости из отверстия и законов движения воды в реках и каналах. Однако его сочинение было опубликовано лишь спустя более 400 лет после его смерти и не было использовано.

В 1586 г. голландский ученый Стевин опубликовал книгу “Начала гидростатики“. В 1612 г. итальянский ученый Галилей опубликовал трактат
“О телах, находящихся в воде, и о тех, которые в ней движутся“.

Ученик Галилея Торичелли в 1643 г. вывел формулу истечения жидкости из отверстия.

В 1650 г. французский ученый Паскаль открыл закон о передаче жидкостью внешнего давления, который явился основой для расчета гидравлических прессов и гидроподъемников.

Английский ученый Ньютон в 1686 г. сформулировал гипотезу о законах внутреннего трения и впервые ввел понятие вязкости в жидкостях.

Честь создания теоретической гидродинамики принадлежит Российской Академии наук в лице двух ее академиков - Леонарда Эйлера (1707-1783 гг.) и Даниила Бернулли (1700-1782 гг.). В 1738 г. Даниил Бернулли опубликовал капитальный труд по вопросу движения жидкостей. В этой работе он обосновал свою знаменитую теорему о запасе энергии движущейся частицы, которая является основной теоремой современной гидравлики.

Леонард Эйлер в 1755 г. вывел дифференциальные уравнения равновесия и движения невязкой жидкости, положив начало развития теоретической гидромеханики.

Значительный вклад в развитие теоретической гидромеханики внесли
Лагранж, Гельмгольц, Кирхгоф.

Однако гидромеханика, являясь сугубо теоретической наукой, не могла удовлетворить многим запросам практики, особенно сильно возросшим в XIX в. в связи с бурным ростом техники, требовавшим немедленного конкретного решения чисто инженерных задач. Это и явилось причиной развития особой прикладной науки-гидравлики, созданной в XYIII-XIX в.в. трудами А.Шези, Дарси, Вейсбаха, Буссинеска и Н.Е. Жуковского.

Основы учения о движении вязкой жидкости были заложены в 1821 г. французским ученым Навье и получили свое завершение в 1845 г. в работах Стокса. Стоксом был обобщен закон Ньютона о внутреннем трении в жидкости и выведены уравнения движения вязкой жидкости , получившие наименование уравнений Навье-Стокса.

Экспериментальные исследования в трубах очень малого диаметра были проведены французским врачом и естествоиспытателем Пуазейлем в 1840-1842 гг. в связи с изучением движения крови по сосудам .

До Пуазейля исследованием движения вязкой жидкости через трубки малого диаметра занимался Гаген (1710-1769 гг.).

Стоксом были проинтегрированы уравнения движения вязкой жидкости для случая движения жидкости в круглой трубке и для равномерного движения шара в неограниченной жидкости .

Сопоставление этих решений с данными опыта показало, что решения совпадают с опытом лишь при малых скоростях движения жидкости и при малых диаметрах трубки и шара, редко встречающихся на практике. Причина столь ограниченных пределов, в которых верно решение Стокса, была разъяснена опытами, поставленными Рейнольдсом в 1883 г. Эти опыты показали, что существуют два качественно различных режима движения жидкости: ламинарный и турбулентный.

В ламинарном режиме жидкость движется как бы слоями, без перемешивания. В ламинарном режиме поток частиц жидкости полностью «управляется» стенками канала. Например, в круглой трубке траектории отдельных частиц при таком режиме параллельны стенкам.

В турбулентном режиме частицы жидкости движутся по самым замысловатым траекториям, так как имеет место значительное перемешивание жидкости. Стенки потока при таком режиме не “управляют” уже полностью течением жидкости, они обеспечивают лишь главное направление течения. Поэтому нельзя рассчитать турбулентный поток по истинным значениям скоростей и давлений, а необходимо производить соответствующее осреднение в потоке. Расчет такого осредненного движения по уравнениям Навье-Стокса оказался неверным.

Уравнения для осредненного движения были выведены Рейнольдсом, но при этом оказалось, что в уравнениях появляются новые члены. Для определения этих членов, имеющих смысл дополнительного сопротивления движению жидкости, Прандтлем, Тэйлором и Карманом в 20 - 30-х гг. XX столетия созданы так называемые полуэмпирические теории турбулентности. Основным достижением этих теорий явилось установление логарифмических формул скоростей и сопротивлений в гладких трубах.

Значительный вклад в науку о движении жидкости и газа внесен российскими учеными. Важное практическое значение имеют исследования академика Павловского по теории неравномерного движения и фильтрации жидкости, академика Лейбензона, положившего начало подземной гидромеханике, академика Христиановича, разработавшего теорию неустановившегося движения жидкости и ряд других работ российских ученых.

§ 1.2. Определение науки «Гидромеханика»

Общие закономерности, связывающие механические движения и взаимодействия тел, находящихся в твердом, жидком и газообразном состояниях, изучаются наукой, называемой механикой, являющейся частью физики.
В зависимости от состояния тела механика разделяется на отдельные направления.

Законы движения абсолютно твердых тел изучаются в теоретической механике, упругих тел – в теории упругости, пластических тел – в теории пластичности.

Законы движения и равновесия жидкостей и газов изучаются в механике жидкостей и газов или в гидромеханике. Гидромеханика разделяется на гидростатику и гидродинамику, включающую кинематику жидкости.

Кинематика жидкости – раздел гидромеханики, в котором рассматриваются виды и формы движения жидкостей, не выясняя причин этого движения (поступательное, деформационное и вихревое движение).

В гидростатике изучаются условия равновесия жидкостей и газов.

В гидродинамике изучаются законы движения жидкостей и газов и устанавливаются зависимости для основных факторов движения. Внешние силы, действующие на тело, считаются известными. Требуется определить давление и скорость движения среды.

В гидромеханике в качестве основного метода исследования используется строгий математический анализ. Параллельно гидромеханике (вначале независимо) развивалась наука, называемая гидравликой. Гидравлика является прикладной инженерной наукой о равновесии и движении жидкостей, базирующейся в основном на экспериментальных данных и использующей приближенные методы расчета. Здесь используются эмпирические и полуэмпирические зависимости (основанные на экспериментальных данных), осредненные величины и прочие допущения, упрощающие рассматриваемый вопрос с целью оценки главных характеристик изучаемого явления.

Таким образом, гидромеханика и гидравлика – это две родственные науки, во многих случаях изучающие одинаковые проблемы, но различными методами. Отметим, что в ряде случаев приходится решать проблемы, сочетая методы гидравлики и гидромеханики. Поэтому иногда весьма затруднительно провести границу между этими двумя науками.