9

МОДУЛЬ 1: ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ

Тема 1: вступление. Предмет гидравлики, история ее развития.

ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

ЖИДКОСТИ И ГАЗУ

ЛЕКЦИЯ 1.1: ПРЕДМЕТ ГИДРАВЛИКИ И ИСТОРИЯ ЕЕ РАЗВИТИЯ

План:

1.1.1 Вступление, содержание, задачи и требования к изучению дисциплины

1.1.2 Предмет гидравлики и краткая история ее развития, как науки

1.1.3 Понятие о жидкости и классификация сил, действующих на нее

1.1.4 Основные методы изучения механики жидкости и газа

1.1.1 Вступление, содержание, задачи и требования к изучению дисциплины

(Довести основные требования к изучению дисциплины, составляющие учеб-ной работы и критерии оценивания знаний)

1.1.2 Предмет гидравлики и краткая история ее развития, как науки

1.1.2.1 Предмет гидравлики

Гидравлика – отрасль механики, изучающая законы равновесия и движения жидкостей, а также разрабатывающая методы, методики и способы применения законов гидравлики к решению практических инженерных задач.

Гидравлику подразделяют на три части: гидростатику, кинематику и гидродинамику. Первая изучает законы равновесия жидкостей в неподвижном состоянии, вторая изучает дви-жение жидкости и изменение кинематических параметров без влияния на нее внешних сил, третяя изучает законы движения жидкости под воздействием внешних сил.

Гидравлика содержит методы расчета и проектирования разнообразных гидротехничес-ких сооружений (плотин, каналов, водосливов, трубопроводов для подачи различных жид-костей), гидромашин (насосов, гидротурбин, гидропередач), а также других устройств, при-меняемых во многих областях техники. Особенно велико значение гидравлики в машиност-роении.

Гидросистемы, состоящие из насосов, трубопроводов и различных гидроагрегатов ши-роко используются в машиностроении в качестве силовых и управляющих гидросистем, сис-тем жидкостного охлаждения, топливоподачи, смазочных систем и др.

Большое распространение в современных машинах получили гидропередачи и гидро-автоматика.

Гидропередачи представляют собой устройства для передачи механической энергии и преобразования движения посредством жидкости. Гидропередачи, снабженные системами автоматического или ручного управления, образуют гидроприводы. Для расчета и проек-тирования гидроприводов, их систем автоматического регулирования и других устройств с гидромашинами и гидроавтоматикой, а также для правильной их эксплуатации, ремонта и наладки нужно иметь соответствующую подготовку в области гидравлики и теории машин.

1.1.2.2 Краткая история развития гидравлики, как науки

Гидравлика-одна из самых древних наук в мире. Результаты археологических иссле-дований показывают, что еще за 5000 лет до нашей эры в Китае, Египте и других странах древнего мира уже существовали оросительные каналы и были известны простейшие уст-ройства для подъема воды. В Риме сохранились остатки древнего водопровода, построен-ного за 6 веков до начала нашей эры.

Первые упоминания о гидравлике появились в 250г. до н.э. Первым научным трудом по гидравлике считается труд Архимеда «О плавающих телах».

В ХIV в. появился научный труд Леонардо да Винчи «О движении воды и речных соо-ружениях», в котором он изложил свои наблюдения и опыт при постройке гидротехнических сооружений в Милане, Флоренции и др. городах Италии.

В 1586 г. голландский ученый Стевин опубликовал книгу «Начала гидростатики», а в 1612 г. итальянский ученый Галилео Галилей издал научный трактат «О телах, нахо-дящихся в воде, и о тех, которые в ней движутся»,где впервые были изложены основы гидростатики.

В 1643 г. ученик Галилея – Торичелли установил закон свободного истечения жидкости через отверстия.

В 1650 г. французский ученый Паскаль открыл закон о передаче жидкостью внешне-го давления, который явился основой для расчета гидравлических прессов и гидроподъем-ников.

Английский ученый Исаак Ньютон в 1686 г. сформулировал гипотезу о законах внут-реннего трения и впервые ввел понятие вязкости в жидкостях, заложил основы теории гид-родинамического подобия. Однако это были только отдельные законы механики и гидравли-ки, а целостной науки о движении жидкости еще не было.

Честь создания теоретической гидродинамики принадлежит Российской академии наук в лице двух ее академиков: Даниила Бернулли (1700-1782) и Леонарда Эйлера (1707-1783). В 1738 г. Д. Бернулли опубликовал основополагающий научный труд по вопросу движения жидкостей «Гидродинамика или записки о силах и движении жидкостей». В этой работе он обосновал свою знаменитую теорему о запасе энергии движущейся частицы,открыл основ-ной закон движения жидкости, в котором увязал скорость, давление и высоту нахождения жидкости относительно земли, а позже оно получило название «уравнения Бернулли», кото-рое является основной теоремой современной гидравлики.

Л. Эйлер в 1755 г. вывел дифференциальные уравнения равновесия и движения иде-альной невязкой жидкости, положив начало развитию теоретической гидромеханики.

В этот же период М.В. Ломоносов открыл закон сохранения вещества и его движе-ния.

Работами Д. Бернулли, Л. Эйлера и М. Ломоносова завершился первый период раз-вития гидравлики и создание ее основ как науки.

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

Однако гидромеханика, являясь сугубо теоретической наукой, не могла удовлетво-рить многим запросам практики, особенно сильно возросшим в XIX в. в связи с бурным ростом техники, требовавшим немедленного решения конкретных инженерных задач. Это и явилось причиной развития особой прикладной науки-гидравлики, созданной в XVIII-XIX вв. 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 движе-ния вязкой жидкости, получившие наименование уравнений Навье-Стокса.

Экспериментальные исследования движения жидкости в трубах очень малого диа-метра проведены французским врачом и естествоиспытателем Пуазейлем в 1840-1842 гг. в связи с изучением движения крови по сосудам. До Пуазейля исследованием движения вяз-кой жидкости через трубки малого диаметра занимался Гаген (1710-1769). 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 кото-рых верно решение Стокса, разъяснена опытами, поставленными Рейнольдсом в 1883 г. Опыты показали существование двух качественно различных режимов движения жидкос-ти: ламинарного и турбулентного.

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

Появилось много талантливых ученых и известных исследователей и эксперимента-торов:

• Шези- проводил исследования равномерного движения жидкости, открыл форму-лу средней скорости движения жидкости;

• Дарси- уточнил режимы течения жидкости и предложил формулу расчета сопро-тивления по длине трубопроводов и местных сопроттивлений;

• Пуазель- усовершенствовал теорию о вязкости жидкости;

• Вейсбах и Гаген- раскрыли физическую сущность потерь напора на местных соп-ротивлениях и сопротивлениях трения по длине трубопровода;

• Вентури- раскрыл физическую сущность и закономерности истечения жидкости через отверстия и насадки;

• Базен- исследовал вопросы истечения жидкости через водосливы и равномерного движения жидкости;

• Н.Е. Жуковский раскрыл физическую сущность гидравлического удара, разрабо-тал теорию гребного винта, теорию подъемной силы крыла, теорию фильтрации грунтовых вод.

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

Примерами высокого уровня развития гидромашиностроения являются достижения отечественных ученых в области создания мощных гидротурбин, выполнения выдающихся гидротехнических робот по созданию крупнейших в мире гидроэлектростанций.