Предмет и место дисциплины «Механика жидкости и газа» в ряду общеинженерных дисциплин.
Механика, являясь частью физики, изучает общие закономерности, связывающие механическое движение и взаимодействие тел, находящихся в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Различие агрегатных состояний физических тел способствовало разделению механики на отдельные области и, в частности, появление такой науки как «Механика жидкости и газов».
Эта наука посвящена изучению законов движения и перемещения подвижных сред, жидкостей и газов, а также неоднородных смесей созданных на их основе.
Кроме того, техническая механика жидкости и газов разрабатывает и предлагает способы изучения этих законов в инженерной практике.
Структурно эта дисциплина включает в себя 3 раздела (см. рис. 1)
Также как и механика твёрдых тел механика жидкости и газов состоит из трёх взаимосвязанных разделов: гидростатики, кинематики жидкости и газов и гидродинамики. Все законы этих разделов реализуются на практике и в специальных технических устройствах, называемых гидравлическими машинами.
Механика жидкости и газов
Гидродинамика
Кинематика жидкости
Гидростатика
Гидравлика
Гидравлические машины
Рисунок 1.1 – Структура курса МЖиГ
Гидростатика изучает законы равновесия (покоя) жидкости.
Кинематика жидкости является разделом гидромеханики, в котором движение изучается, не зависимо от действующих сил; в кинематике устанавливается связь между геометрическими характеристиками движения и временем.
Гидродинамика изучает законы движения жидкости.
Этапы развития науки «Механика жидкости и газа». Вклад российских ученых в развитие данной науки.
Первое упоминание о научном подходе к решению гидравлических вопросов относится к 250 году до н.э., когда Архимедом был открыт закон о равновесии тел, погруженных в жидкость. Однако, в дальнейшем, на протяжении более полутора тысячелетий вопросами гидравлики никто не занимался. И только в 16-18 веках, в эпоху возрождения, с появлением работ Леонардо да Винчи, Галилея, Паскаля, Ньютона, исследовавших ряд важных гидравлических явлений было положено начало дальнейшему развитию гидравлики как науки.
Леонардо да Винчи изучил: работу гидравлического пресса, аэродинамику летательных аппаратов, истечение жидкости через насадки и другие гидравлические вопросы. Он изобрел: центробежный насос, парашют, анемометр.
Галилео Галилей изучил гидравлические сопротивления: разъяснил вопрос о вакууме.
Паскаль установил и доказал основное свойство гидростатического и внешнего давления.
Ньютон открыл закон внутреннего трения.
В XVII - XVIII вв. трудами ряда крупнейших ученых математиков и механиков (Эйлер, Бернулли, Лагранж) были установлены основные законы и получены исходные уравнения гидромеханики. Эти исследования носили главным образом теоретический характер и, включая ряд допущений в отношении физических свойств жидкости, давали больше качественную, а не количественную оценку явлений, значительно расходясь иногда с данными опыта, который до недавнего времени не играл в гидромеханике значительной роли. Естественно, что гидромеханика не могла удовлетворить многочисленным запросам практики, которые особенно возросли в XIX в. В связи с бурным ростом техники, требовавшей немедленного, конкретного решения различных чисто инженерных задач. Это и явилось причиной развития особой прикладной науки, созданной в XVIII—XIX вв. трудами Шези, Дарси, Буссинеска, Вейсбаха, И. Е. Жуковского и многих других ученых и инженеров, которую в настоящее время называют гидравликой.
В отличие от гидромеханики, гидравлика строит свои выводы на основе рассмотрения упрощенных схем гидравлических явлений, вводя в то же время в теоретические уравнения эмпирические коэффициенты, получаемые в результате обработки данных опыта, имеющего в гидравлике весьма большое значение. Так, при исследовании движения потока жидкости в гидравлике обычно ограничиваются определением средних скоростей движения и средних давлений в потоке, в то время как в гидромеханике в большинстве случаев рассматривают изменение этих величин в потоке при переходе от одной точки к другой. В течение долгого времени развитие гидравлики и гидромеханики шло обособленными путями. Однако если вначале методы исследования, применяемые в гидравлике и гидромеханике, значительно отличались друг от друга, то с течением времени эта разница постепенно стиралась. Сближение между этими двумя направлениями в науке, наметившееся в начале XX в., связано с именем выдающегося ученого Л. Прандтля. Это сближение в значительной мере устранило существенные недостатки, свойственные как гидравлике прошлого, представлявшей собой сугубо эмпирическую науку - науку опытных формул и коэффициентов, так и классической гидромеханике, имевшей преимущественно теоретический характер. Современная механика жидкости и газов - это наука, в которой опыт обобщается теорией, а теория исправляется и дополняется опытом, получившим в настоящее время весьма широкое применение и в гидромеханике. Гидравлика широко использует методы и результаты гидромеханики, и, очевидно, со временем различие в понятиях «гидромеханика» и «гидравлика» исчезнет и сохранит, разве лишь исторический интерес.
Большую роль в развитии гидравлики и гидромеханики сыграли наши отечественные учёные. Основоположники гидромеханики Даниил Бернулли и Леонард Эйлер жили Широко известны работы Н. П. Петрова, создавшего гидродинамическую теорию смазки, Н. Е. Жуковского, выполнившего ряд замечательных исследований в различных областях гидромеханики, А. Н. Крылова, разработавшего теорию плавания корабля, Н. Н. Павловского - по теории неравномерного движения и фильтрации жидкости в пористых слоях. и работали в России и были членами Петербургской Академии наук.