Определение гидравлики и ее краткая история

Определение гидравлики и ее краткая история

Гидравлика – прикладная наука, в которой изучаются законы равновесия и движения жидкости и даются методы применения этих законов для решения различных задач инженерной практики.

Слово «гидравлика» происходит от сочетания двух греческих слов «ΰδωρ» (хюдор) – вода и «άύλόσ» (аулос) – труба.

Возникновение гидравлики как науки в древнее время можно объяснить практической необходимостью объединения правил и опыта проведения воды по трубам, т.е. расчета и строительства водопровода.

В настоящее время область охватываемых гидравликой явлений несравненно шире.

Гидравлика делится на две части: гидростатику и гидродинамику.

В гидростатике рассматриваются механические свойства жидкостей, законы равновесия жидкостей и действие их на соприкасающиеся с ними твердые тела.

В гидродинамике изучаются законы движения жидкостей и взаимодействие их с соприкасающимися твердыми телами.

Современная гидравлика базируется на теоретических основах классической гидромеханики в которой законы механики жидкого тела изучаются строго математически на базе общих законов физики о сохранении материи и энергии, на применении основных принципов теоретической механики.

В основу теоретической гидромеханики положен принцип непрерывности Эйлера, согласно которому жидкость рассматривается не как совокупность отдельных (дискретных) ее материальных частичек, а как сплошная или непрерывная материальная среда (континуум), мало сжимаемая и допускающая неограниченную делимость ее частиц.

Вместе с этим, в отличие от теоретической механики, гидравлика широко пользуется теоретическими способами исследования гидравлических явлений, позволяющими исправлять теоретические выводы, отклоняющиеся от реальных явлений.

Сочетание аналитического и экспериментального методов исследования гидравлических явлений стирает различие между теоретической гидромеханикой и гидравликой, занимающихся изучением одних и тех же законов и делает современную гидравлику прикладной наукой.

Современная гидравлика имеет тесную связь со многими техническими дисциплинами и является для некоторых из них основой, без знания которой изучение их невозможно. Тесной связью между гидравлическими и тепловыми явлениями обуславливается развитие таких курсов, как гидравлика газожидкостных систем, гидродинамика тепло- и массообмена и др.

На законах гидростатики и гидродинамики основан принцип действия конструкции и расчет гидравлических машин и гидропневмопривода.

Гидравлика зародилась еще в глубокой древности за много лет до нашей эры. Такие жизненные вопросы, как водоснабжение городов, орошение полей, использование водной энергии для размола зерна, вопросы плавания и другие интересовали человека и находили себе решение, например у древних греков, ассириян, вавилонян и других древних народов.

Зарождение гидравлики как науки принято связывать с именем Архимеда, который еще за 250 лет до нашей эры открыл и сформулировал в своем трактате «О плавающих телах» один из основных законов гидростатики. Архимедом была разработана конструкция механизма для подъема воды, названная «архимедовым винтом».

После этого гидравлика почти 17 столетий не пополнялась новыми законами и открытиями вследствие застоя науки в средние века. Возрождение гидравлики как науки связано с началом периода развивающегося промышленного капитализма. Новые работы по гидравлике начали появляться в Италии в XIV-XV веках. В конце XV в. итальянский ученый Леонардо да Винчи (1452-1519) занимался изучением истечения жидкостей из отверстий и законов движения воды в реках и каналах. Однако его записи были опубликованы лишь 400 лет спустя, и поэтому его труды по гидравлике оказались неиспользованными. В 1585 г. голландский ученый Стевин опубликовал книгу «Начала гидростатики» в которой дал правила для вычисления сил давления на стенки и дно сосуда. В 1612 г. итальянский ученый Галилей опубликовал трактат «О телах, находящихся в воде, и о тех, которые в них движутся», в котором он подчеркивал правильность данного Архимедом закона плавания тел. Так же Галилеем был открыт «гидростатический парадокс». Ученик Галилея Торичелли, занимавшийся вопросами движения жидкости, вывел в 1643 г. формулу скорости истечения невязкой (идеальной) жидкости из отверстия.

Французский ученый Паскаль в 1650 г. дал свой закон о передаче жидкостью внешнего давления, который явился основой для расчета гидравлических прессов, гидравлического и пневматического приводов.

Английский ученый Ньютон в 1686 г. создал свою гипотезу о законах внутреннего трения в жидкостях и впервые ввел понятие о вязкости жидкости.

Однако, несмотря на перечисленные основные положения и законы, а также на ряд других открытий в области гидравлики, прочные теоретические основы гидравлики были созданы лишь в конце XVII и середине XVIII веков классическими работами Исаака Ньютона и членов Петербургской академии наук – Даниила Бернулли и Леонарда Эйлера, которого по праву считают основателем классической гидромеханики.

Уравнение гидродинамики, выведенное Даниилом Бернулли, и дифференциальные уравнения гидростатики и гидродинамики жидкости, выведенные Леонардом Эйлером, явились основами, которые вызвали развитие гидравлики в самостоятельную техническую науку.

Развитию гидравлики способствовали также эффективные экспериментальные исследования, основанные на методах подобия. Основы теории подобия были созданы еще И. Ньютоном, а затем были развиты О. Рейнольдсом, В. Л. Кирпичевым и др.

В развитии практической гидравлики важную роль сыграли работы французских ученых XVIII-XIX веков Шези, Базена, Дарси, Вейсбаха и др. следует отметить, что в развитии теоретической и прикладной механики большую роль сыграли также Д. И. Менделеев, впервые высказавший предположение о существовании двух режимов движения жидкости; И. С. Громека, основатель русской школы гидравликов; В. Г. Шухов, первый исследователь в области гидравлики нефти; Н. Е. Жуковский, впервые решивший вопрос о гидравлическом ударе в трубах; Н. П. Петров, разработавший гидродинамическую теорию смазки; Н. П. Павловский, сыгравший ведущую роль в создании инженерной гидравлики, а также разработавший метод исследования гидравлических явлений путем электродинамических аналогий (метод ЭГДА).

К достижениям советских ученых следует отнести работы академика С. А. Христиановича, разработавшего теорию неустановившегося движения жидкости в каналах и работы академика Л. С. Лейбензона, И. А. Черного по теории движения жидкостей и газов в пористой среде.

В исследованиях турбулентного движения жидкости значительные успехи были достигнуты М. А. Великановым, А. Н. Колмогоровым, Л. Г. Лойцянским и др.

Весьма значительное развитие получили вопросы инженерной гидравлики, связанные с расчетами гидротехнических сооружений и устройств в трудах А. Н. Ахутина, Н. М. Бернадского, Е. А. Замарина, Ф. И. Пиколова, А. Н. Рахманова, М. А. Великанова, И. И. Агроскина, А. Я. Миловича, И. Г. Есьмана и др.

Изучением неустановившихся процессов в трубопроводах, исследованием законов гидродинамических сопротивлений, разработкой расчетов трубопроводов и решением ряда гидравлических задач занимались многие советские ученые и научно-исследовательские институты: Центральный аэрогидродинамический институт им. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ), Всесоюзный теплотехнический институт (ВТИ), ВНИИГ и др. Исследования в этих направлениях продолжаются и по сей день.

В результате этих исследований получают применение для расчетов трубопроводов формулы советских исследователей А. Д. Альтшуля, П. Н. Конакова, И. А. Исаева, Н. Э. Френкеля, Г. К. Шевелева, Г. К. Филоненко и др.

В прошедшие два столетия ряд крупнейших ученых, работавших в области гидравлики: Навье, Стокс, Жуковский, Рейнольдс, Пуассон, Петров, Чаплыгин и др., обогатили эту отрасль науки открытиями первостепенной важности. В этот период, с одной стороны, произошел переход от механики идеальной жидкости к теоретической гидравлике вязкой жидкости, давшей возможность математической интерпретации большинства практически важных гидравлических явлений с вполне удовлетворительной точностью, с другой стороны, проведение экспериментальных исследований на основе теории подобия и тесно с нею связанной теории размерностей впервые позволило математически строго обобщить результаты эксперимента.

Необходимо отметить постоянно возрастающую роль гидравлики в последние десятилетия. Практически все отрасли народного хозяйства связаны с освоением и умелым использованием и машин обрабатывающих и перемещающих жидкости. Гидравлические автоматические системы приводов и управлений оборудованием, получающие все более и более широкое распространение, и в ряде случаев вытесняющих электрические и электронные устройства, призваны сыграть значительную роль в осуществлении задачи автоматизации производства, что в свою очередь имеет не только экономическое, но и большое социальное значение.

Конечно, гидравлика, как и любая другая наука, неисчерпаема, и ей предстоит решение еще очень многих, сегодня неразрешенных задач, но состояние и темпы развития гидравлики как в теоретическом, так и в экспериментальном отношении не вызывают никакого сомнения в возможности решения любой гидравлической проблемы.