Лекция №1

Гидравлика (греч. hydor — вода и aulos — труба) — отрасль гидромеханики, которая изучает законы покоя и движения жид­костей и разрабатывает методы применения этих законов в практической деятельности. Первоначально название «гидравлика» обозначало движение воды по трубам. Наиболее существенные области приложения законов гидравлики — водоснабжение и ка­нализация, осушение и орошение земель, а также проектирова­ние гидравлических турбин, насосов, гидроприводов, водяного отопления, гидромеханизация и т. д. Гидравлика, опираясь на такие науки, как высшая математи­ка, физика, теоретическая механика, сопротивление материалов в свою очередь служит базой для проектирования турбин, насо­сов, гидродинамических передач, гидравлических приводов и других гидравлических машин, гидропневмотранспорта, осущест­вления водоснабжения, канализации, орошения и осушения. Поч­ти во всех областях техники применяются гидравлические уст­ройства, основанные на использовании законов гидравлики.

1.1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ГИДРАВЛИКИ

История развития теорий и вопросов, связанных с движением жидкости, в частности воды, берет свое нача­ло в глубокой древности. Еще древние вавилоняне, египтяне и индусы считали воду началом всех начал и затрачивали огром­ные усилия, чтобы получить воду. Построенные в доантичный период водопроводы в Древних Афинах и Риме, каналы в доли­нах Нила, Тигра и Евфрата, плотины в Индии до сих пор выглядят грандиозно. Но эти сооружения, видимо, строи­лись на основе опыта, передававшегося из поколения в поколе­ние, и гидравлика являлась ремеслом без каких-либо научных обобщений.

Одним из первых научных трудов по гидравлике считается трактат Архимеда «О плавающих телах» (287—212 гг. до н. э.), в котором был впервые сформулирован гидравлический закон о равновесии тела, погруженного в жидкость.

Бур­ный этап развития гидравлики наступил в эпоху Возрождения, дальнейшее развитие ее происходило на прочной теоретической основе. Назовем имена наиболее выдающихся ученых в этой области.

Леонардо да Винчи (1452—1519) — основоположник гидрав­лики как науки, раскрыл качественную сторону важнейших гид­равлических явлений. Автор многих работ по механике гидроста­тики.

Симон Стевин (1548—1620) объяснил гидростатический пара­докс и рассчитал сопротивление гидростатического давления на плоскую фигуру.

Галилео Галилей (1564—1642) изучил физические явления в вакууме, отметил возрастание гидравлического сопротивления с увеличением скорости.

Бенедито Кастелли (1577—1644) описал принцип неразрыв­ности движения жидкости.

Эванджелиста Торричелли (1608—1647) измерил барометром «все атмосферы» и открыл законы истечения жидкости из от­верстий.

Блез Паскаль (1623—1662) установил независимость гидроста­тического давления от ориентировки «площадки» в жидкости, решил вопрос об атмосферном давлении и происхождении ва­куума.

Исаак Ньютон (1643—1727) исследовал различные аспекты сопротивления жидкости — инерционные, вязкие и волновые открыл явление сжатия струи.

Нельзя не отметить большой вклад в гидравлику выдающихся русских ученых, таких как М. В. Ломоносов, Д. Бернулли. Л. Эйлер, Д. И. Менделеев, Н. Е. Жуковский и др.

Михаил Васильевич Ломоносов (1711—1765) в диссертации «Рассуждение о твердости и жидкости тела» сформулировал от­крытый им закон сохранения вещества и энергии.

Даниил Бернулли (1700—1782) открыл связь давления в жид­кости со скоростью и выдвинул идею реактивной тяги.

Леонард Эйлер (1707—1783) сформулировал основные уравне­ния гидромеханики и так называемую теорему Бернулли, предло­жил использовать методы Лангранжа для исследования движения жидкости.

Антуан Шези (1718—1798) сформулировал параметры подобия течений в каналах, которые послужили основой для вывода фор­мулы Шези.

Джиованни Батиста Вентури (1746—1822) исследовал истече­ние через отверстия и насадки, а также предложил принцип измерения расхода.

Осборн Рейнольдс (1842—1912) исследовал режимы движения, ввел число Рейнольдса и критерий перехода одного режима в другой, сформулировал условия определения турбулентного по­тока и получил уравнения для определенных характеристик тур­булентного потока.

Дмитрий Иванович Менделеев (1834—1907) в своей работе «О сопротивлении жидкостей и воздухоплавании» привел важные выводы о наличии двух режимов движения жидкости (ламинар­ного и турбулентного).

Николай Егорович Жуковский (1847—1921) создал теорию гидравлического удара в водопроводных трубах, теорию движе­ния наносов в реках и написал ряд основополагающих работ в области фильтрации.

Николай Николаевич Павловский (1884—1937) создал основы математической теории фильтрации воды в грунтах, предложил метод электромоделирования фильтрационных потоков (метод ЭГДА), разработал метод расчета естественных русл.

Петр Петрович Мельников (1794—1880) создал в 1836 г. пер­вый на русском языке труд «Основания практической гидравли­ки» и организовал в 1855 г. первую в России гидравлическую лабораторию.

Николай Павлович Петров (1836—1920) впервые сформулиро­вал законы трения при наличии смазки.

Людвиг Прандтль (1875—1953) — один из создателей полуэм­пирической теории турбулентности, создал теорию пограничного слоя, исследовал гидравлические потери в трубах, эксперимен­тально обосновал равенство нулю скорости на твердей стенке.

Борис Александрович Бахметев (1880-1951) решил задачу об интегрировании дифференциального уравнения неравномерного движения в призматических руслах.

1.2. Основные физические свойства жидкостей

Общие сведения. В природе различают 4 агрегат­ных состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное и плаз­менное. Жидкость занимает промежуточное положение между твердыми телами и газами. Свойства жидкостей при низкой тем­пературе и высоком давлении ближе к свойствам твердых тел, а при высокой температуре и низком давлении — к свойствам газов.

Жидкость, как и всякое жидкое тело, имеет молекулярное строение, т. е. состоит из молекул, объем пустот между которыми, намного превосходит объем самих молекул. Причем в жидкостях и твердых телах объем пустот между молекулами меньше, а межмолекулярные силы больше, чем в газах. Поэтому жидкости и твердые тела малосжимаемы по сравнению с газами. Однако, ввиду бесконечной малости молекул и пустот между ними по сравнению с рассматриваемыми объемами жидкости в гидравли­ке, можно представить жидкость в виде фиктивной сплошной среды, т. е. придать ей свойство непрерывности. Тогда процесс исследования ее упрощается.

Жидкость — это физическое тело, обладающее легкой подвиж­ностью частиц, текучестью и способное изменять свою форму под воздействием внешней силы.

Жидкости разделяются на сжимаемые (газообразные) и не­сжимаемые или весьма малосжимаемые (капельные). Несмотря на это, различные законы движения капельных жидкостей и газов при некоторых условиях можно считать одинаковыми. Например, при скорости течения газа, значительно меньшей скорости звука, можно сжимаемостью газа пренебречь, как это имеет место в не­которых газопроводах, вентиляционных системах и системах кондиционирования воздуха.

Для облегчения изучения законов движения жидкости введе­но понятие «идеальные и реальные жидкости».

Идеальные—невязкие жидкости, обладающие абсолютной подвижностью, т. е. отсутствием сил трения и касательных на­пряжений и абсолютной неизменностью в объеме под воздействи­ем внешних сил,

Реальные—вязкие жидкости, обладающие сжимаемостью, сопротивлением растягивающим и сдвигающим усилиям и достаточной подвижностью, т. е. наличием сил трения и касательных напряжений.

Реальные жидкости могут быть ньютоновские и неньютонов­ские (бингемовские). В ньютоновских жидкостях при движении одного слоя жидкости относительно другого величина касатель­ных напряжений (внутреннего трения) пропорциональна скорос­ти сдвига. При относительном покое эти напряжения равны нулю. Такая закономерность была установлена Ньютоном в 1686 году, поэтому эти жидкости (вода, масло, бензин, керосин, гли­церин и др.) называют ньютоновскими жидкостями.

Неньютоновские жидкости не обладают большой подвижно­стью и отличаются от ньютоновских жидкостей наличием каса­тельных напряжений (внутреннего трения) в состоянии покоя. Причем величина их зависит от вида жидкости. Эта особенность была подмечена Ф.Н. Шведовым (1889 г.), а затем Бингемом (1916г.), поэтому такие жидкости (битум, гидросмеси, глинис­тый раствор, коллоиды, нефтепродукты при температуре близ­кой к температуре застывания) получили и другое название— бингемовские.

Силы, действующие в жидкости, принято делить на внутрен­ние и внешние Внутренние силы представляют собой силы вза­имодействия частиц жидкости, внешние силы делятся на силы поверхностные и объемные. Поверхностные силы (сжатие, дав­ление, растяжение, силы трения) приложены к поверхностям, ограничивающим объем жидкости. Объемные(массовые) силы (например, сила тяжести, сила инерции, электромагнитная сила) распреде­ляются по всему объему жидкости, они пропорциональны массе жидкости и приложены непосредственно к частицам жидкости.

Удельным весом у жидкости называют отношение ее веса к объему.

Удельный вес однородной жидкости

где G—вес рассматриваемого объема жидкости, Н;

V— объем, занимаемый ею,м³

В соответствии с ГОСТ 9867 «Международная система еди­ниц» и СТ СЭВ 1052 «Метрология. Единицы физических вели­чин» единицей удельного веса является ньютон на кубический метр (Н/м³ ).

Плотность — отношение массы жидкости к ее объему. Таким образом, плотность однородной жидкости

где т — масса жидкости, заключенная в объеме V, кг;

V— объем жидкости, м³.

Единицей плотности в СИ является килограмм на кубический метр (кг/м³ ).

Если учесть, что вес G жидкости равен произведению ее массы на ускорение свободного падения g (м/с²),

т. е. ,

то получим .

Таким образом, плотность и удельный вес связаны зависимостью .

Как плотность, так и удельный вес жидкости зависят от тем­пературы и очень незначительно—от давления. В табл. 1.1...1.3 приведены значения плотности и удельного веса воды и других жидкостей при различных температурах.