Предмет, объект и пр.

ГД 2004 Предмет, объект и прочее … 6

Предмет, объект и прочее …

Механика сплошных сред (МСС), механика жидкости и газа (МЖГ), гидромеханика, гидродинамика, гидрогазодинамика, газодинамика, аэродинамика: общее и отличное. Жидкость. Текучесть. Объект и предмет газовой динамики.

Термин «газодинамика» применяют для названия одного из разделов системы знаний, т.е. науки, изучающей поведение физических материальных тел или сред, обладающих определенными специфическими свойствами.

Говоря «поведение» в нашем случае мы, прежде всего, имеем в виду движение и силовое взаимодействие тел или сред на так называемом макромасштабном уровне или макроуровне, т.е. в так называемом «макромире».

Свойства же тела или среды, как известно, во многом зависят от агрегатного состояния вещества, из которого состоит тело или среда. Агрегатное состояние в свою очередь полностью определяется молекулярной структурой, силами взаимодействия между частицами и характером движения этих частиц на микромасштабном уровне или микроуровне, т. е. в так называемом «микромире». Таким образом, оговаривая специфические свойства тела или среды, мы по существу тем самым уже предопределяем их атомно–молекулярную структуру.

Наукой, изучающей движение и взаимодействие материальных тел, будет очевидно физика. В принципе это так. Но физика слишком уж обширная система знаний и в ее лоне, так или иначе, зарождались или покоятся практически все, так называемые, естественные науки. Поэтому искать непосредственную связь газодинамики и физики все равно, что устанавливать степень своего родства по отношению к первобытному человеку. Более того, существует же механика – часть физики, ставшая одним из ее классических разделов, наука, которая действительно изучает общие закономерности, связывающие механическое движение и взаимодействие тел. Однако и в самой механике также можно выделить отдельные разделы, направления или научные дисциплины, которые зачастую называют просто науками. Мы не будем сейчас вдаваться в проблемы классификации наук и науковедческой терминологии. Отметим только, что современная классификация наук, т.е. разделение наук по тому или иному признаку, производится либо по виду движения, либо по материальному субстрату.

В соответствии с этим принципом механику традиционно принято разделять на теоретическую механику, изучающую движение материальной точки или системы материальных точек, т.е. механику дискретных систем, и механику сплошных сред - МСС. В рамках МСС можно провести дальнейшее деление. Все виды сплошных сред принципиально можно разделить на деформируемые и недеформируемые. С последними связывают понятие, так называемого, «абсолютно твердого тела» и соответствующий раздел механики - механику твердого тела (МТТ).

Можно привести и другую классификацию: «В механике твердого тела рассматриваются абсолютно твердые и деформируемые тела; последние, в свою очередь, разделяются на тела упругие и пластические. Изучением законов движения абсолютно твердых тел занимается теоретическая механика, а упругих и пластических – теория упругости и теория пластичности».

 (Повх) с.5

Как видим, попытки «четкого разделения» наук и разграничения «сфер их влияния» изначально наталкиваются на некоторые трудности, имеющие под собой причины, как субъективного характера, так и определенного мировоззренческого толка. В этой связи уместно привести цитату из предисловия к очень известному и популярному, ставшему уже хрестоматийным и выдержавшему множество изданий (более шести? – В.Г.), учебному курсу теоретической механики (!!! – В.Г.) Л.Г. Лойцянского и А.И. Лурье: «Осуществленное в новом издании расширение предмета механики в сторону модели сплошной среды не может, конечно, заменить изложение тех же вопросов в специальных курсах теории упругости и гидрогазодинамики. Здесь преследуются совершенно другие цели. Главная из них – показать учащемуся широту и мощь охвата теоретической механикой самых различных движений материальных тел, включая сюда и сплошные среды (упругие, жидкие и газообразные). С другой стороны, это дополнение органически связывает курс теоретической механики с непосредственно следующим за ним в учебных планах втузов курсами сопротивления материалов и гидравлики (технической гидродинамики), в которых обычно изложению общих основ механики сплошных сред не уделяется должного внимания»¹.

Анатолий Исаакович Лурье и Лев Герасимович Лойцянский были и остаются корифеями отечественной науки, видными и авторитетными специалистами в области механики… Л.Г. Лойцянский, кроме того, является автором не менее известного и популярного (но не «легкого» - В.Г.), также выдержавшего множество изданий (в советское время более пяти – В.Г.) фундаментального учебника «Механика жидкости и газа»².

Мир деформируемых сплошных сред огромен и разнообразен – по существу все реальные природные тела при соответствующих условиях (нагрузках) в той или иной мере подвержены деформациям. По способности деформироваться и сопротивляемости деформации, характеру и виду деформации и т.д., т.е. по всем тем специфическим особенностям, которые определяют «механизм явления» деформации, сплошные среды принято разделять на упругие, пластичные и легкоподвижные или текучие. Первыми занимается теория упругости, вторыми – теория пластичности.

Что касается «легкоподвижных или текучих», то здесь вновь придется вносить небольшое предварительное уточнение. Свойство легкоподвижности или текучести является ключевым при определении понятия «жидкость» (жидкость в обобщенном понятии, т.е. включающем в себя как собственно капельные жидкости, так и газы).

«В связи с отсутствием специального термина, который обозначал бы жидкость в широком смысле слова, в дальнейшем мы будем пользоваться терминами «капельная жидкость» (малосжимаемая), «сжимаемая жидкость» (газ) и «жидкость», применяя последний в широком смысле, охватывающем как капельную жидкость, так и газ (т.е. под жидкостью будем понимать всякую среду, обладающую свойством текучести)».

 (Альтшуль, Киселев) с.7

« Свойство вещества неограниченно деформироваться под действием сколь угодно малой силы сдвига называется легкоподвижностью или текучестью».

 (Емцев) с.9

«Жидкостями называют субстанции, обладающие легкоподвижностью или текучестью, т.е. непрерывно и сколь угодно сильно деформирующиеся под действием сколь угодно малого срезывающего напряжения.

Легкоподвижностью в равной степени обладают капельные жидкости и газы. Поэтому и те, и другие называются одинаково – жидкость».

 (Сергель) с.4

Итак, мы видим, что с понятием «жидкость» неразрывно связано понятие «текучесть», т.е. свойство непрерывно и сколь угодно сильно деформироваться под действием сколь угодно малого срезывающего напряжения.

« Текучесть – это свойство, общее для всех жидкостей, означающее способность течь под влиянием самых малых сдвиговых усилий».

 (Смыслов) с.11

Очевидно, что «течь» означает не только деформироваться, но и деформироваться непрерывно и сколь угодно сильно, т.е. неограниченно, и к тому же под действием сколь угодно малой силы сдвига, т.е. касательной силы. В этом заключается принципиальное отличие жидкости от твердого деформируемого тела: жидкости способны не просто деформироваться – жидкости способны течь! При наличии сдвигающей силы деформация жидкости ничем не ограничена, т.е. будет происходить непрерывно и сколь угодно долго до тех пор, пока будет действовать сила.

Следует отметить, что «текучесть» важна не только с точки зрения движения, но и в статике это свойство жидкости проявляет себя. Именно со свойством «текучести» связано следующее определение понятия «жидкости»:

«Жидкостью мы называем сплошную среду, у которой в состоянии покоя сила воздействия одной ее части на другую нормальна к разделяющей их поверхности в любой ее точке. Итак, если провести любую малую площадку через некоторую точку А покоящейся жидкости, то действующая на эту площадку сила будет нормальной к ней вне зависимости от ее ориентировки в пространстве».

 (Рахматуллин и др.) с.6

Действительно, если допустить, что «сила воздействия» не нормальна к площадке, т.е. не направлена по нормали к площадке, то, очевидно, что в этом случае будет существовать касательная к площадке составляющая этой силы, т.е. будет иметь место касательное или сдвигающее (срезывающее) напряжение, которое заставит жидкость течь.

«Если рассматриваемая среда неподвижна, то касательные силы в ней отсутствуют. Это одно из основных свойств жидкости и газа – то, что их отличает от твердых тел. Если к жидкости приложены касательные силы, то она ни на мгновение не способна их сдерживать, и начинает течь. Мера легкости, с которой течет жидкость, определяется ее вязкостью. Одни среды менее вязкие, другие более. Например, воздух – чрезвычайно подвижная среда, а некоторые машинные масла, да еще при низкой температуре, являются довольно вязкими жидкостями. Этим их свойством и объясняется то обстоятельство, что запуск холодного двигателя внутреннего сгорания произвести трудно. Нужно приложить большие усилия, чтобы провернуть двигатель. Не следует, однако, думать, что все среды, которые часто причисляют к жидкостям, не в состоянии сопротивляться касательным силам в статическом состоянии. Некоторые вещества способны сдерживать касательные усилия до тех пор, пока они не превзойдут определенного предела, после которого вещество начинает течь. Такие среды занимают промежуточное состояние между жидкостями и твердыми телами и ими занимается наука о течении, называемая реологией. В реологии вообще утверждается, что «все течет», важны лишь величины приложенных усилий и время их действия».

 (Невинский) с.10

Текучие среды, которыми занимается реология и которые (по Невинскому) «занимают промежуточное состояние между жидкостями и твердыми телами» не только «часто причисляют к жидкостям», но и, более того, сегодня принято называть «реологическими жидкостями». Другое название, которое закрепилось за этими средами – «аномальные жидкости».

Аномальные – значит необычные, отклоняющиеся от нормы. Что же тогда принято считать обычной или нормальной жидкостью? О «нормальной» жидкости мы будем говорить на протяжении всего курса; с ее характеристиками и свойствами мы подробно познакомимся несколько позже – по мере рассмотрения основных законов движения и в связи с классификацией сил, действующих в жидкостях и газах. Сейчас отметим лишь один наиболее важный для нас на данном этапе факт: изучением движения и покоя «обычных или нормальных» жидкостей занимается механика жидкости и газа.

Можно сказать, что у механики жидкости и газа есть своя модель жидкости, которая и является для этой науки «обычной или нормальной». Можно также добавить, что эта «обычная или нормальная» модель жидкости называется еще и «ньютоновской жидкостью» (почему – мы узнаем позже). Жидкости, поведение которых не описывается этой моделью принято называть «неньютоновскими жидкостями». Последние по определению должны рассматриваться как «аномальные» и, следовательно, относятся к «реологическим жидкостям». К неньютоновским, аномальным или реологическим жидкостями относятся различные суспензии, коллоидные растворы, расплавы полимеров и пр. (в качестве примера можно назвать известные всем на бытовом уровне жидкости – кровь и мед). Вода и большинство технических жидкостей, а также воздух и все газы практически во всей интересующей нас области изменения параметров (области течений) являются ньютоновскими жидкостями.

Приведенное выше рассуждение о «модели» (жидкости) и «механике» (науке) не бесспорно. Все развивается, а науки – особенно. Сегодня можно говорить о том, что механика жидкости и газа только в «классическом» или «традиционном» своем направлении ассоциируется с моделью «ньютоновской жидкости». Современная механика жидкости и газа оперирует с различными моделями жидкости. Поэтому будет вполне уместным и реологию рассматривать как одно из направлений механика жидкости и газа.

«Механика жидкости бурно развивается и объединяет много различных направлений, обусловленных конкретными свойствами отдельных классов жидкостей и условиями протекания процессов их движения».

 (Сергель) с.4

«Законы движения жидкостей и газов изучает механика жидкостей и газов, или гидромеханика».

 (Повх) с.5

«Гидромеханикой называется наука, посвященная изучению законов механического движения жидкостей и разработке методов использования этих законов для решения прикладных задач. …

Жидкости и газы с точки зрения механики различаются только степенью сжимаемости. В условиях, когда это свойство не проявляется или не является определяющим, решение уравнений движения сплошной среды оказываются одинаковыми как для жидкостей, так и для газов. Если при изложении этой дисциплины преобладают вопросы движения жидкостей, то ее обычно называют просто гидромеханикой».

 (Емцев) с.5

«Механика жидкостей и газов, так же как и другие области механики, разделяются на статику, кинематику и динамику. Часть гидромеханики, изучающая условия равновесия жидкостей и газов, называется гидростатикой. Кинематика жидкостей и газов изучает их движение во времени, не интересуясь причинами, вызывающими это движение. Предметом изучения гидродинамики являются движения жидкостей и газов в связи с их взаимодействием».

 (Повх) с.5

Таки образом, мы видим, что И.Л. Повх вообще термином «газодинамика» не пользуется, считая, что движение газов является «предметом изучения гидродинамики». Это вовсе не означает, что свойства жидкостей и газов с точки зрения движения и силового взаимодействия («динамики») абсолютно идентичны. Как мы уже отмечали выше, «специфические свойства» тел или сред обусловлены их молекулярной структурой. Хорошо известно, что у жидкостей (капельных жидкостей) и газов характеристики взаимодействия и движения молекул, т.е. «жизнь» на микроуровне (!!!) существенно отличается, что и порождает различие многих свойств этих сред. Но, в то же время, есть достаточно много общего и в характере самого движения (макроуровень!) и в системе его теоретического описания, что и позволяет объединить эти два различных «субстрата» (капельные жидкости и газы) в рамках одного раздела единой науки – механики жидкости и газа. Вопрос только в том, как этот раздел называть. По нашему мнению (и не только нашему – см. список литературы, например, и обрати внимание на названия учебников и монографий) наиболее точным и правильным будет название «гидрогазодинамика», при этом «гидродинамику» и «газодинамику» мы будем понимать, как неразрывно связанные и соподчиненные части одного целого. Особенно это целесообразно и уместно на уровне учебного курса или учебной дисциплины, поскольку без знания основ ставшей уже классической гидродинамики невозможно перейти к изучению более сложных вопросов газовой динамики (газодинамики).

Наименование «гидрогазодинамика» полнее и точнее раскрывает содержание курса. Начальная (первая) часть слова – «гидро», имеет греческие корни и означает «вода», вторая часть – «газо», происходит от слова «газ», заимствованного из французского языка и вряд ли нуждается в переводе. И, наконец, последняя часть – «динамика» происходит от латинского слова «dynamis», русский эквивалент которого – «сила». Таким образом,

гидрогазодинамика рассматривает равновесие и движение жидкостей и газов под действием различных сил.

«Название «гидрогазодинамика» не является единственным. Можно найти много руководств (учебных пособий, научных монографий и пр.), посвященных изложению этого предмета, имеющие сходные, но все же различные названия. Так, например, встречаются термины «гидроаэродинамика», «гидромеханика», «аэродинамика», «газовая динамика», «механика жидкости и газов» и т.д. Все эти наименования приблизительно равнозначны. Отличие заключается лишь в том, введение в наименование слова «газ» указывает на рассмотрение в данном руководстве движения среды не только с малыми, но и высокими скоростями, когда проявляется свойство ее сжимаемости».

 (Невинский) с.3

***

Итак, если между названиями «механика жидкости и газа» и «гидромеханика» вполне можно поставить знак равенства, так как по существу это синонимы, то «гидрогазодинамику» следует понимать как основной и главный раздел этой «механики».

Газодинамика (гидрогазодинамика) – раздел науки, называемой

механика жидкости и газа

Теперь, в дополнение к уже сказанному, попытаемся дать по возможности более краткое определение «газодинамики». Но, сначала еще несколько выдержек из авторитетных источников.

«Прикладная гидрогазодинамика – наука, изучающая законы движения жидкостей при их взаимодействии с твердыми телами и между самими жидкостями при скоростях существенно меньших скорости света, т.е. когда справедливы законы классической механики Ньютона и отсутствуют релятивистские эффекты».

 (Сергель) с.4

«Газовая динамика изучает движение газов при существенном изменении их плотности. Основная особенность газодинамических процессов – неразрывная связь одновременно протекающих механического процесса движения газа (главным образом его ускорения или торможения) и термодинамического процесса его сжатия или расширения».

 (Сергель) с.5

«… газовая динамика это наука о законах движения газа с большими скоростями, а при энергетическом обмене с внешней средой – как при движении с большими, так и с малыми скоростями».

 (Сергель) с.5

«Механика жидкостей и газов представляет собой весьма обширную отрасль науки, которая включает в себя такие дисциплины, как гидравлика, гидродинамика, аэродинамика, газовая динамика. В двух первых дисциплинах изучаются вопросы механики несжимаемой жидкости, например воды. В аэродинамике изучается движение воздуха, причем, пока рассмотрение ограничивается областью невысоких скоростей, воздух представляют как несжимаемую жидкость, не имеющую веса. При переходе к большим скоростям становится необходимым учитывать сжимаемость, подвод и отвод тепла. Именно здесь и начинается область газовой динамики».

 (Виноградов) с.7

Как видно из приведенных цитат, дать короткое (в одной фразе) и одновременно полное и исчерпывающее определение «газодинамики» вряд ли удастся. Попробуем расчленить задачу на части, т.е. на три более простые задачи. Прежде всего, охарактеризуем и позиционируем интересующую нас научную дисциплину в общих чертах, а затем уже определим и охарактеризуем предмет и объект ее исследования.



«Современная газовая динамика

представляет собой обширную физико-математическую дисциплину,

занимающую прочное место в фундаменте системы знаний

о поведении сплошных легкоподвижных сред».

 (Овсянников) с.6



Предметом изучения газовой динамики являются движения газов, сопровождающиеся термодинамическими процессами их сжатия или расширения.



Объектом газовой динамики является газ, а в более широком обобщенном понятии – жидкость, т.е. легкоподвижная или текучая сплошная среда способная непрерывно и сколь угодно сильно деформироваться под действием сколь угодно малого касательного напряжения. Кроме того, используемая в газовой динамике модель жидкости обладает свойством сжимаемости.

Таблица 1 - Используемые в последующих текстах греческие буквы

α	альфа	μ	мю (ми)
β	бета	ν	ню (ни)
γ	гамма	ξ	кси
Δ δ	дельта	π	пи
ε	эпсилон	ρ	ро
ζ	дзета (зета)	Σ σ	сигма
η	эта	τ	тау
Θ θ	тэта	φ	фи
Λ λ	ламбда (лямбда)	Ψ ψ	пси
κ	каппа	Ω ω	омега

1 Лойцянский Л.Г., Лурье А.И. Курс теоретической механики: В 2-х томах. Т. II. Динамика. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Наука, 1983. – 640 с.

2 Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. Изд 5-е, переработанное. – М.: Наука, 1978. – 736 с.

стр. 6 из 6