1. 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. 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 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.

Однако только основополагающие работы академиков Петербургской академии наук Даниила Бернулли и Леонарда Эйлера живших в XVIII веке, создали прочный фундамент, на котором основывается современная гидравлика. В XIX-XX веках существенный вклад в гидродинамику внес "отец русской авиации" Николай Егорович Жуковский.

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.

2. Плотность характеризует распределение массы жидкости или газа по объему . В произвольной точке а плотность

 ,

где   – элементарная масса, заключенная в элементарном объеме   , который стягивается в точку А.

Плотность однородной жидкости равна отношению массы жидкости   к занимаемому ей объему   :

 .

Плотность жидкостей зависит от температуры и давления. Все жидкости, кроме воды, характеризуются уменьшением плотности при росте температуры. Плотность воды максимальна при t=4°С, в этом аномальность ее поведения. Для условий основных гидравлических расчетов плотность воды можно принимать равной 1000   .

Удельный вес однородной жидкости определяется как отношение веса жидкости   к занимаемому объему   :

 .

Учитывая, что   , получим зависимость между плотностью и удельным весом, используемую в расчетах.

 то есть   .

Единицы удельного веса в системе СИ:   .

Относительным удельным весом жидкости называется отношение удельного веса жидкости   при температуре t к удельному весу воды  при температуре 4°С:

 .

Вязкость представляет собой свойство жидкости сопротивляться сдвигу (или скольжению) ее слоев. Вязкость проявляется в том, что при относительном перемещении слоев жидкости на поверхности их соприкосновения возникают силы сопротивления, называемые силами внутреннего трения, или силами вязкости. Происходит взаимное «торможение» и «ускорение» соседних слоев.

Силы внутреннего трения впервые обнаружены Ньютоном. Он установил пропорциональность между силой внутреннего трения, площадью соприкосновения и относительными скоростями перемещения слоев. Н. П. Петров в 80-годы ХIХ в. экспериментально подтвердил это и математически сформулировал в виде следующей зависимости, носящей название закона Ньютона-Петрова:

 ,

где   – сила внутреннего трения слоев жидкости,

 – площадь соприкасающихся слоев,

 – динамический коэффициент вязкости,

 – разность скоростей двух соседних слоев жидкости, расположенных на расстоянии   друг от друга по нормали.

3. Гидростатика – раздел гидравлики, в котором рассматриваются законы покоя или равновесия жидкости и практическое применение этих законов в технике. Состояние покоя или состояние движения жидкости обуславливается, прежде всего, характером действующих на жидкость сил, их величиной и направлением.

Гидростатическое давление p — это скалярная величина, хара­к­теризую­щая напряжённое

состояние жидкости. Давление равно модулю нормального напряжения в точке: p = /s /.

Давление в системе СИ измеряется в паскалях: Па = Н / м2 .

Связь единиц давления в различных системах измерения такая:

100000 Па = 0,1 МПа = 1 кгс/см2 = 1 ат = 10 м вод. ст.

Два свойства гидростатического давления:

1. Давление в покоящейся жидкости на контакте с твёрдым телом вы­зывает напряжения, направленные перпендикулярно к поверхности раздела.

2. Давление в любой точке жидкости действует одинаково по всем на­правлениям. Это свойство отражает скалярность давления.

Гидростатический метод измерения уровня -метод основанный на измерении гидростатического давлениястолба жидкости по формуле P=ρgh, где P-давление, ρ-плотность, g –ускорение свободного падения, h – высота столба жидкости. Для измерения гидростатическим методом уровня жидкости в ёмкости используют гидростатические датчики уровня  Гидростатический уровнемер -прибор, измеряющий уровень жидкостив ёмкости методом измерения гидростатического давления столба жидкости по формуле h=P/ρg, где P-давление, ρ-плотность, g –ускорение свободного падения, h – высота столба жидкости. Главное достоинствогидростатических уровнемеров это высокая точность при относительно невысокой стоимости и простотеконструкции. Гидростатическим методом, с помощью гидростатического датчика уровня, можно измерятьобъём жидкости.

4. Гидродина́мика раздел физики сплошных сред, изучающийдвижение идеальных и реальных жидкости и газа. Как и в других разделахфизики сплошных сред, прежде всего осуществляется переход от реальнойсреды, состоящей из большого числа отдельных атомов или молекул, кабстрактной сплошной среде, для которой и записываются уравнения.

5. Уравнение Даниила Бернулли, полученное в 1738 г., является фундаментальным уравнением гидродинамики. Оно дает связь между давлением P, средней скоростью υ и пьезометрической высотой z в различных сечениях потока и выражает закон сохранения энергии движущейся жидкости. С помощью этого уравнения решается большой круг гидравлических задач.

Для измерения давления жидкости применяют пьезометры - тонкостенные стеклянные трубки, в которых жидкость поднимается на высоту   . В каждом сечении установлены пьезометры, в которых уровень жидкости поднимается на разные высоты.

Кроме пьезометров в каждом сечении 1-1 и 2-2 установлена трубка, загнутый конец которой направлен навстречу потоку жидкости, которая называется трубка Пито. Жидкость в трубках Пито также поднимается на разные уровни, если отсчитывать их от пьезометрической линии.

Если через показания уровней жидкости в трубках Пито провести линию, то она будет горизонтальна, и будет отражать уровень полной энергии трубопровода.

Для двух произвольных сечений 1-1 и 2-2 потока идеальной жидкости уравнение Бернулли имеет следующий вид:

Так как сечения 1-1 и 2-2 взяты произвольно, то полученное уравнение можно переписать иначе:

и прочитать так: сумма трех членов уравнения Бернулли для любого сечения потока идеальной жидкости есть величина постоянная.

С энергетической точки зрения каждый член уравнения представляет собой определенные виды энергии:

z₁ и z₂ - удельные энергии положения, характеризующие потенциальную энергию в сечениях 1-1 и 2-2;  - удельные энергии давления, характеризующие потенциальную энергию давления в тех же сечениях;  - удельные кинетические энергии в тех же сечениях.

Следовательно, согласно уравнению Бернулли, полная удельная энергия идеальной жидкости в любом сечении постоянна

Уравнение Бернулли можно истолковать и геометрически. Дело в том, что каждый член уравнения имеет линейную размерность. Глядя на рис.2.1, можно заметить, что z₁ и z₂ - геометрические высоты сечений 1-1 и 2-2 над плоскостью сравнения;   - пьезометрические высоты;   - скоростные высоты в указанных сечениях.

6. Потери напора по длине потока. Когда передвигают книгу по столу, то затрачивают энергию на преодоление силы трения о стол. При движении жидкости энергия будет затрачиваться на преодоление сил трения в жидкости. Экспериментально доказано, что при движении жидкости на стенке трубы образуется тончай­ший неподвижный слой этой жидкости. Поэтому даже на стенке трубы сохраняется жидкостное трение.

Потери напора   на трение по длине трубы определяют по формуле

где   — коэффициент трения; l — длина трубы; d — ее диаметр: v²/(2g) — скоростной напор.

Очевидно, что чем больше длина трубы /, тем значительнее затраты энергии на преодоление трения. И наоборот, с увеличением диаметра трубы d затраты энергии уменьшаются, так как поверхность трения становится относительно меньше.

Значения коэффициента трения   , приводимые в справочни­ках, зависят от режима течения жидкости, определяемого числом Рейнольдса, а в случае развитого турбулентного течения — и от степени шероховатости трубы.

Влияние шероховатости на величину потерь напора обусловле­но образованием вихрей на выступах неровностей трубы, что тре­бует затрат некоторой доли энергии потока. Различают абсолют­ную и относительную шероховатость.

Абсолютная шероховатость — это высота выступов неровно­стей на стенках трубы. Она зависит от материала и способа изго­товления трубы. Значения абсолютной шероховатости приводятся в справочниках.

Относительная шероховатость — это отношение абсолютной шероховатости к диаметру трубы . При определении коэффи­циента трения обычно используют обратную величину — харак­теристику шероховатости.

При увеличении шероховатости возрастает число вихрей и по­вышаются потери напора. Например, потери напора в чугунной трубе больше, чем в стеклянной, при прочих равных условиях.

Потери напора на местных сопротивлениях. В трубопроводе ско­рость жидкости может изменяться по величине и направлению из-за наличия поворотов канала, сужений, установки различных регулирующих устройств и т.д. На таких участках, называемых мест­ными гидравлическими сопротивлениями, вследствие инерции жид­кость отрывается от стенок и образуются вихревые зоны. На фор­мирование вихрей затрачивается часть энергии потока. Примера­ми местных сопротивлений могут служить внезапное расширение потока и плавный поворот трубы. В первом случае изменяется значение скорости, во втором — ее направление.

Потери напора   на отдельном местном сопротивлении оп­ределяют по формуле

где   — коэффициент местного сопротивления. Величина   зависит от вида местного гидравлического сопротивления.

Полные потери напора в трубопроводе. Производственные тру­бопроводы разнообразны как по расположению в пространстве, таки по оснащению их устройствами управления и вспомогатель­ным оборудованием.

Устройства управления служат для регулирования расхода жид­кости или полного перекрытия потока, ограничения давления в трубопроводе, пропускания жидкости лишь в одном направлении и других целей.

К вспомогательным устройствам, устанавливаемым на трубопро­водах, относятся очистители жидкости, гидроаккуму­ляторы и др.

7. Принцип работы Действие центробежного насоса основано на законах гидродинамики, на придании жидкости, поступающей в замкнутый корпус спиралевидной формы, динамического воздействия через вращающиеся лопасти ротора. Эти лопасти имеют сложную форму с изгибом в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Они закреплены между двумя дисками, насаженными на ось, и сообщают динамику жидкости, заполняющей пространство между ними. Возникающая при этом центробежная сила относит её из центральной части корпуса, расположенной в районе оси вращения рабочего колеса к его периферии, и дальше — в отводящую трубу. В результате действия центробежной силы в центре корпуса создаётся разреженная область пониженного гидравлического давления, которая заполняется новой партией жидкости из подающего патрубка. Необходимый напор в трубопроводе создаётся разницей давлений: атмосферного и внутреннего, в центральной части рабочего колеса. Работа насоса возможна только при полном заполнении корпуса водой, в «сухом» состоянии колесо будет вращаться, но необходимой разницы давления не возникнет и перемещения жидкости из подающего трубопровода не будет

8. Цель сопротивления материалов – определение размеров элементов машин, механизмов, инженерных сооружений.

Введем основные понятия, принимаемые при изучении дисциплины.

Прочность – это способность конструкции выдерживать заданную нагрузку, не разрушаясь.

Жесткость – способность конструкции к деформированию в соответствие с заданным нормативным регламентом.

Деформирование – свойство конструкции изменять свои геометрические размеры и форму под действием внешних сил

Устойчивость – свойство конструкции сохранять при действии внешних сил заданную форму равновесия.

Надежность – свойство конструкции выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в определенных нормативных пределах в течение требуемого промежутка времени.

Ресурс – допустимый срок службы изделия. Указывается в виде общего времени наработки или числа циклов нагружения конструкции.

Отказ – нарушение работоспособности конструкции.

9. Сжатие или растяжение - такое воздействие на материал, при котором силы, действующие на стержень, направлены по оси или параллельно оси стержня.

Если силы направлены по оси, то такой элемент конструкции называют центрально сжатым или центрально растянутым. Если силы приложены на некотором расстоянии от оси, то такой элемент называют внецентренно сжатым или внецентренно растянутым, при этом расстояние от оси до точки приложения силы называется эксцентриситетом е.

10. Кручение - воздействие на материал пары сил, действующих в плоскости, перпендикулярной к оси стержня т.е. в плоскости поперечного сечения

11. Изгиб - воздействие на материал пары сил, направленных в плоскости, проходящей через ось стержня. т.е. в плоскости, перпендикулярной плоскости поперечного сечения.

12. Основные задачи механики разрушения в рамках изучаемого курса:

– изучение условий распространения трещин в упругих и упругопластических материалах;

– решение задач распределения напряжений и деформаций в окрестностях трещин;

– введение характеристик трещиностойкости конструкционных материалов;

– изучение методов испытаний, технологических процессов и условий эксплуатации по критерию трещиностойкости;

– прогнозирование ресурса для тел с усталостными трещинами;

– прогнозирование эффективной трещиностойкости композитов.

Причинами механического разрушения элементов механических систем могут быть: трение и износ, усталость, контактные явления механической, химической и физической природы, коррозия, ухудшение эксплуатационных свойств в результате влияния различных внутренних причин и внешних воздействий. Таким образом, механическое разрушение является следствием постепенно развивающихся в механически нагруженном материале повреждений. В соответствии с этим одним из фундаментальных свойств механической прочности материалов является её зависимость от времени. Следовательно, деформация и разрушение материала характеризуются не предельными напряжениями, а скоростью деформации и разрушения или долговечностью.

В общем случае скорость процессов механического разрушения нагруженного твёрдого тела и время его разрушения зависят от структуры и свойств материала, от величины напряжения и температуры.

До недавнего времени считались общепринятыми классические представления о пластической деформации и разрушении материалов как о критических событиях, наступающих тогда, когда действующие в материале напряжения достигают некоторой критической величины. Согласно этим представлениям при напряжениях, меньших предела упругости, пластическая деформация вообще не может развиваться, а разрушение тела происходит только тогда, когда напряжения достигнут предела прочности. Однако в последнее время этому взгляду противопоставляется другой подход, согласно которому разрушение материала рассматривается не как критическое событие, а как постепенный кинетический термоактивационный процесс, развивающийся в механически напряженном материале во времени с момента приложения к нему нагрузки, в том числе меньше критической. Разрушение является безактивационным процессом лишь при очень низких температурах или при действии напряжений, равных пределу теоретической прочности.

В соответствии с этой кинетической теорией, согласно которой одним из фундаментальных свойств прочности является ее зависимость от времени, деформация и разрушение должны характеризоваться не предельным напряжением, а скоростью деформации и разрушения, а также долговечностью - временем, требующимся для разрушения. Пределы упругости, текучести, прочности являются с этой точки зрения лишь некоторыми условными характеристиками.

Скорость процессов механического разрушения нагруженного твердого тела и, соответственно, время до разрушения зависят от структуры и свойств материала тела, от напряжения, вызываемого нагрузкой, и температуры. Предложен ряд эмпирических формул, описывающих зависимость времени до разрушения от этих факторов.

13. Курс учебной дисциплины "Детали машин" рассматривает основы расчета и конструирования деталей, узлов и агрегатов, встречающихся в различных машинах и механизмах.  Учебными программами среднего профессионального образования предмет "Детали машин" рассматриваются и изучаются, как раздел учебной дисциплины "Техническая механика", куда входят, также, "Теоретическая механика" и "Сопротивление материалов". В технических и строительных ВУЗах эти предметы изучаются более углубленно и преподаются как самостоятельные учебные дисциплины.

Детали машин должны удовлетворять двум основным условиям: надежности и экономичности. Под экономичностью понимают минимально необходимую стоимость проектирования, изготовления и эксплуатации.

14. Резьбовыми называются соединения, осуществляемые с помощью деталей, снабжённых резьбой: винты, болты, шпильки и гайки .Винт, свинчиваемый с гайкой, называют болтом.

Достоинства. Они являются самыми распространённым видом разъёмных соединений. Резьбовые соединения имеют сравнительно простую конструкцию и очень удобны как для сборки, так и разборки соединения. Они полностью взаимозаменяемы, выгодны для массового производства и не очень дороги. С их помощью можно образовывать самотормозящие и несамотормозящие, подвижные и неподвижные компактные соединения. К недостаткам этих соединений следует отнести: неравномерность нагружения сопряжённых витков, значительная концентрация напряжений в резьбовых деталей, низкий КПД.

15. Заклепочные соединения состоят из двух или нескольких листов или деталей, соединяемых в неразъемную конструкцию с помощью заклепок.

Заклепкой называют круглый стержень, имеющий сформированную за­кладную головку 1 на одном конце и формируемую в процессе клепки за­мыкающую головку 2 на другом его конце. При этом детали сильно сжимаются, образуя прочное, неподвижное неразъёмное соединение. Форма и размеры заклепок рег­ламентированы стандартом.

Заклепочным швом называют соединение, осуществляемое группой закле­пок

16. Сварным — называется неразъемное соединение, выполненное сваркой, т. е. путем установления межатомных связей между свари­ваемыми частями при их нагревании или пластическом деформировании.

Основные понятия, термины и определения, относящиеся к сварке металлов стандартизованы. Технология сварочного производства изуча­ется в курсе технологии металлов.

Сварные соединения являются наиболее распространенными и со­вершенными из неразъемных соединений, так как лучше других обеспе­чивают условия равнопрочности, снижения массы и стоимости конструк­ции. Замена клепаных конструкций сварными уменьшает их массу до 25%, а замена литых конструкций сварными уменьшает расход металла до 30% и более. Трудоемкость сварных конструкций значительно меньше клепаных, а возможности механизации и автоматизации технологическо­го процесса значительно больше. Сварка позволяет соединять детали сложной формы, обеспечивает сравнительно бесшумный технологиче­ский процесс и герметичность соединений. В настоящее время сваривают детали, изготовленные из черных, многих цветных металлов, а также из пластмасс. Свариваемость материалов характеризуется их склонностью к образованию трещин при сварке и механическими свойствами соедине­ния. Хорошей свариваемостью обладают низкоуглеродистые стали, пло­хой — высокоуглеродистые стали и чугуны.

Недостатки сварных соединений: недостаточная надежность при ударных и вибрационных нагрузках, коробление деталей в процессе сварки, концентрация напряжений и сложность проверки качества соединений.

17. При соединении пайкой в отличие от сварки место спайки на­гревается лишь до температуры плавления припоя, которая намного ниже температуры плавления материала соединяемых деталей. Соеди­нение деталей получается благодаря заполнению зазора между ними расплавленным припоем.

Припой или клей в разрезах и на ви­дах изображают линией в 2 раза толще основ­ной сплошной линии. Для обозначения пайки или склеивания применяют услов­ные знаки, которые наносят на линии-выноске от сплошной ос­новной линии. Швы, выполнен­ные пайкой или склеиванием по периметру, обозначаются лини­ей-выноской, заканчивающейся окружностью диаметром 3-4 мм.

В соединениях пайкой и склеиванием место соедине­ния элементов в разрезах и на видах показывают утолщенной контурной линией.

Если же соединяемые элементы показаны в сечении зачерненны­ми, то место соединения изображается просветом.

Обозначение соединений пайкой и склеиванием производится с помощью символов и знаков, проставляемых на линии-выноске, ко­торая заканчивается стрелкой, указывающей непосредственно шов, или точкой при указании невидимых частей соединения.