Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ

ПРЕДМЕТ ГИДРАВЛИКИ И КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ЕЁ РАЗВИТИЯ 1.1. Краткая история развития гидравлики

1.2. Жидкость и силы, действующие на нее. Основные физические свойства жидкостей и газов. Идеальная жидкость

Гидравлика — наука, изучающая законы покоя и движения жидкостей и разрабатывающая методы применения этих законов в практической деятельности.

Наиболее важными областями применения законов и различных расчетных методов гидравлики являются гидротехника и мелиорация, водоснабжение и канализация, гидроэнергетика и водный транспорт.

Понятие «гидравлика» произошло от сочетания греческих слов хюдор (вода) и аулос (труба), что означало вначале учение о движении воды по трубам. Видимо, в далёком прошлом именно эти вопросы в связи с необходимостью обеспечивать снабжение водой и были единственными, изучавшимися гидравликой.

В настоящее время под «гидравликой» понимается изучение любой жидкости (а не только воды).

Решение различных технических проблем, связанных с вопросами движения жидкостей в открытых и закрытых руслах, а также с вопросами силового воздействия жидкости на стенки сосудов или обтекаемые жидкостью твердые тела привело к созданию обширной науки называемой гидромеханикой, которая делится на два раздела: техническая гидромеханика и теоретическая механика жидкости и газа (рис.1.1).

Рис. 1.1. Разделы гидромеханики

Гидравлика (техническая механика жидкости) - прикладная часть гидромеханики, которая использует те или иные допущения для решения практических задач. Она обладает сравнительно простыми методиками расчета по сравнению с теоретической механикой жидкости, где применяется сложный математический аппарат. Однако гидравлика даёт достаточную для технических приложений характеристику рассматриваемых явлений.

1. Краткая история развития гидравлики

Исторически гидравлика является одной из самых древних наук в мире. Археологические исследования показывают, что еще за 5000 лет до нашей эры в Китае, а затем в других странах древнего мира найдены описания устройства различных гидравлических сооружений, представленные в виде рисунков (первых чертежей). Естественно, что никаких расчетов этих сооружений не производилось, и все они были построены на основании практических навыков и правил.

Первые указания о научном подходе к решению гидравлических задач относятся к 250 году до н.э., когда Архимедом (287—212 гг. до н.э.) был открыт закон о равновесии тела, погруженного в жидкость. Потом на протяжении 1500 лет особых изменений гидравлика не получала. Наука в то время почти совсем не развивалась, образовался своего рода застой. И только в XVI-XVII веках нашей эры в эпоху Возрождения, или как говорят историки Ренессанса, появились работы Галилея, Леонардо да Винчи, Паскаля, Ньютона, которые положили серьезное основание для дальнейшего совершенствования гидравлики как науки.

Старинные летописи и другие источники содержат много сведений о строительстве в России различных сооружений па реках, о развитии водных путей, о попытках создания механизмов, использующих энергию водного потока, и других конструкциях, осуществление которых было бы невозможно без знания основ гидравлики. Так, еще в 1115 г. был построен наплавной мост через Днепр у г. Киева. Подъем в развитии гидравлики начался лишь через 17 веков после Архимеда.

В XV—XVI вв. знаменитый Леонардо да Винчи (1452 — 1519) написал работу «О движении и измерении воды», которая была опубликована лишь через 400 с лишним лет после ее создания. Симон Стевин (1548-1620) – фламандский математик-универсал, инженер - написал книгу «Начало гидростатики», Галилей (1564 — 1642) рассмотрел основные законы плавания, Торичелли (1608—1647) открыл законы истечения жидкости из отверстий, Паскаль (1623  —1662) открыл закон о передаче давления в жидкости, Ньютон (1642 — 1727) в 1686 г. сформулировал гипотезу о внутреннем трении в жидкости.

Однако перечисленные работы затрагивали только отдельные разделы гидравлики. Формирование гидравлики как науки на прочной теоретической основе стало возможным только после работ, созданных академиками Петербургской Академии наук М. В. Ломоносовым (1711 — 1765), Д. Бернулли (1700 — 1782) и Л. Эйлером (1707 — 1783).

М.В. Ломоносов в диссертации «Рассуждения о твердости и жидкости тела» сформулировал открытый им закон сохранения вещества и энергии.

Д. Бернулли в изданном в 1738 г. труде «Гидродинамика» вывел важнейшее уравнение, названное его именем. Это уравнение является основой теоретических выводов и гидравлических расчетов в очень многих случаях.

Л. Эйлер в 1755 г. в труде «Общие принципы движения жидкости» вывел систему дифференциальных уравнений равновесия и движения жидкостей.

Эти работы положили начало бурного развития гидравлики. Велики заслуги ученых: Шези (1718 - 1798), работавшего в области равномерного движения жидкости; Вентури (1746 -1822), исследовавшего истечение через отверстия и насадки; Вейсбаха (1806 - 1871), в основном известного работами в области сопротивлений движению жидкости; Базена (1829 -1897), изучавшего равномерное движение и истечение жидкости через водосливы; Рейнольдса (1842 -1912), внесшего большой вклад в изучение ламинарного и турбулентного режимов движения.

Во второй половине XIX в. в России появляются работы, оказавшие большое влияние на последующее развитие гидравлики. И. С. Громека (1851 - 1889) создал основы теории винтовых потоков и потоков с поперечной циркуляцией. Д. И. Менделеев (1834 - 1907) в своей работе «О сопротивления жидкостей и воздухоплавания» привел важные выводы о наличии двух режимов движения жидкости (ламинарного и турбулентного). Далее Н. П. Петров (1836 - 1920) сформулировал закон внутреннего трения в жидкости. Н. Е. Жуковский (1847 - 1921) создал теорию гидравлического удара в водопроводных трубах, теорию движения наносов в реках и ряд основополагающих работ в области фильтрации.

Труды академика Н. Н. Павловского (1884 - 1937) в области равномерного и неравномерного движения, фильтрации через земляные плотины и под гидротехническими сооружениями явились весьма большим вкладом в развитие гидравлики и послужили основой наряду с другими работами учеников и последователей Н. Н. Павловского в СССР для создания инженерной гидравлики, широко используемой при расчетах в гидротехнике.

Грандиозное развитие гидротехнического и гидромелиоративного строительства в СССР приводит к дальнейшему развитию советской гидравлической науки.

Роль гидравлики в современном машиностроении трудно переоценить. Любой автомобиль, летательный аппарат, морское судно не обходится без применения гидравлических систем. Добавим сюда строительство плотин, дамб, трубопроводов, каналов, водосливов. На производстве просто не обойтись без гидравлических прессов, способных развивать колоссальные усилия. А вот интересный факт из истории строительства Эйфелевой башни. Перед тем как окончательно установить многотонную металлоконструкцию башни на бетонные основания, ей придали строгое вертикальное положение с помощью четырех гидравлических прессов, установленных под каждую опору.

Гидравлика преследует человека повсюду: на работе, дома, на даче, в транспорте. Сама природа подсказала человеку устройство гидравлических систем. Сердце - насос, печень - фильтр, почки - предохранительные клапаны, кровеносные сосуды - трубопроводы, общая длина которых в человеческом организме около 100 000 км. Наше сердце перекачивает за сутки 60 тонн крови (это целая железнодорожная цистерна!).