PROFILPELAJAR.COM

Гидравлика и другие науки^[1]

Гидра́влика (др.-греч. ὑδραυλικός — водяной, гидравлический (первоначально^[2] о водяном орга́не); от др.-греч. ὕδραυλις — гидравлос, водяной орга́н^[3]^[4]^[5] от др.-греч. ὕδωρ — вода + др.-греч. αὐλός — авлос, духовой музыкальный инструмент, трубка) — прикладная наука о законах движения (см. гидродинамика капельных жидкостей и газов), равновесии жидкостей (см. гидростатика) и способах приложения этих законов к решению задач инженерной практики^[6].

В отличие от гидромеханики, гидравлика характеризуется особым подходом к изучению явлений течения жидкостей: она устанавливает приближённые зависимости, ограничиваясь во многих случаях рассмотрением одноразмерного движения, широко используя при этом эксперимент, как в лабораторных, так и в натурных условиях.

Наряду с этим намечается всё большее сближение между гидромеханикой и гидравликой: с одной стороны, гидромеханика всё чаще обращается к эксперименту, с другой — методы гидравлического анализа становятся более строгими^[7].

История

Некоторые принципы гидростатики были установлены ещё Архимедом, возникновение гидродинамики также относится к античному периоду, однако формирование гидравлики как науки начинается с середины XV века, когда Леонардо да Винчи лабораторными опытами положил начало экспериментальному методу в гидравлике. В XVI—XVII веках С. Стевин, Г. Галилей и Б. Паскаль разработали основы гидростатики как науки, а Э. Торричелли дал известную формулу для скорости жидкости, вытекающей из отверстия.

В дальнейшем И. Ньютон высказал основные положения о внутреннем трении в жидкостях. В XVIII веке Д. Бернулли и Л. Эйлер разработали общие уравнения движения идеальной жидкости, послужившие основой для дальнейшего развития гидромеханики и гидравлики.

Однако применение этих уравнений (так же как и предложенных несколько позже уравнений движения вязкой жидкости) для решения практических задач привело к удовлетворительным результатам лишь в немногих случаях, в связи с этим с конца XVIII века многие учёные и инженеры (А. Шези, А. Дарси, А. Базен, Ю. Вейсбах и др.) опытным путём изучали движение воды в различных частных случаях, в результате чего наука обогатилась значительным числом эмпирических формул. Практическая гидравлика всё более отдалялась от теоретической гидродинамики. Сближение между ними наметилось лишь к концу XIX века в результате формирования новых взглядов на движение жидкости, основанных на исследовании структуры потока.

Особо заслуживают упоминания работы О. Рейнольдса, позволившие глубже проникнуть в сложный процесс течения реальной жидкости и в физическую природу гидравлических сопротивлений и положившие начало учению о турбулентном движении. Впоследствии это учение, благодаря исследованиям Л. Прандтля и Т. Кармана, завершилось созданием полуэмпирических теорий турбулентности, получивших широкое практическое применение.

К этому же периоду относятся исследования Н. Е. Жуковского, из которых для гидравлики наибольшее значение имели работы о гидравлическом ударе и о движении грунтовых вод.

В XX веке быстрый рост гидротехники, теплоэнергетики, гидромашиностроения, а также авиационной техники привёл к интенсивному развитию гидравлики, которое характеризуется синтезом теоретических и экспериментальных методов. Большой вклад в развитие науки сделали советские учёные — Н. Н. Павловский, Л. С. Лейбензон, М. А. Великанова и др.

Практическое значение гидравлики возросло в связи с потребностями современной техники в решении вопросов транспортирования жидкостей и газов различного назначения и использования их для разнообразных целей. Если ранее в гидравлике изучалась лишь одна жидкость — вода, то в современных условиях всё большее внимание уделяется изучению закономерностей движения вязких жидкостей (нефти и её продуктов), газов, неоднородных и т. н. неньютоновских жидкостей. Меняются и методы исследования и решения гидравлических задач. Сравнительно недавно в гидравлике основное место отводилось чисто эмпирическим зависимостям, справедливым только для воды и часто лишь в узких пределах изменения скоростей, температур, геометрических параметров потока; теперь всё большее значение приобретают закономерности общего порядка, действительные для всех жидкостей, отвечающие требованиям теории подобия и пр. При этом отдельные случаи могут рассматриваться как следствие обобщённых закономерностей. Постепенно гидравлика превращается в один из прикладных разделов общей науки о движении жидкостей — механики жидкости.

Предмет изучения

Гидравлика, как прикладная наука, применяется для решения различных инженерных задач в области:

водоснабжения и водоотведения (канализации);
транспортировка веществ по трубопроводу: газ, нефть и т. п.;
строительства различных гидротехнических сооружений, водозаборных сооружений;
конструирования различных устройств, машин, механизмов:
медицины.

Основные направления

Гидравлика обычно подразделяется на две части:

теоретические основы гидравлики, где излагаются важнейшие положения учения о равновесии и движении жидкостей,
практическая гидравлика, применяющую эти положения к решению частных вопросов инженерной практики.

Основные разделы практической гидравлики:

гидравлика трубопроводов — течение по трубам;
гидравлика открытых русел (динамика русловых потоков) — течение в каналах и реках;
истечение жидкости из отверстия и через водосливы;
гидравлическая теория фильтрации даёт методы расчёта дебита и скорости течения воды в различных условиях безнапорного и напорного потоков (фильтрация воды через плотины, фильтрация нефти, газа и воды в пластовых условиях, фильтрация из каналов, приток к грунтовым колодцам и пр.) ;
гидравлика сооружений — поток и твёрдого преграждения.

Во всех указанных разделах движение жидкости рассматривается как установившееся, так и неустановившееся (нестационарное).

Основные разделы теоретической гидравлики:

Прикладное значение

Гидравлика широко использует теоретические положения механики и данные экспериментов. В прошлом гидравлика носила чисто экспериментальный и прикладной характер, в последнее время её теоретические основы получили значительное развитие, это способствовало сближению её с гидромеханикой. Гидравлика решает многочисленные инженерные задачи, рассматривает многие вопросы гидрологии, в частности, законы движения речных потоков, перемещения ими наносов, льда и шуги, процессы формирования русла и т. д. Этот комплекс вопросов объединяется речной гидравликой (динамикой русловых потоков), которую можно рассматривать как самостоятельный раздел гидравлики.

По отношению к гидромеханике гидравлика выступает как инженерное направление, получающее решение многих задач о движении жидкости на основе сочетания эмпирических зависимостей, установленных опытным путём, с теоретическими выводами гидромеханики.

В гидравлике рассматриваются также движение наносов в открытых потоках и пульпы в трубах, методы гидравлических измерений, моделирование гидравлических явлений и некоторые др. вопросы. Существенно важные для расчёта гидротехнических сооружений вопросы гидравлики — неравномерное и неустановившееся движение в открытых руслах и трубах, течение с переменным расходом, фильтрация и др. — иногда объединяют под общим названием «инженерная гидравлика», или «гидравлика сооружений».

Таким образом, круг вопросов, охватываемых гидравликой, весьма обширен, и её законы в той или иной мере находят применение почти во всех областях инженерной деятельности, особенно в гидротехнике, мелиорации, водоснабжении, канализации, теплогазоснабжении, гидромеханизации, гидроэнергетике, водном транспорте и др.

Известные учёные-гидравлики и гидротехники

Исследования в области гидравлики координируются Международной ассоциацией гидравлических исследований (МАГИ). Её орган — «Journal of the International Association for Hydraulic Research» (Delft, с. 1937).

Развитие гидравлики связано с именами учёных:

Архимед
Ктесибий
М. В. Ломоносов
Э. Торричелли
А. Шези
Д. Бернулли
Н. Е. Жуковский
В. Г. Шухов
Н. П. Петров
И. С. Громек
Н. Н. Павловский
А. Н. Колмогоров
С. А. Христианович
М. А. Великанов
Д. В. Штеренлихт
А. Я. Милович
А. Д. Альтшуль
Константинов
Большаков
Л. Прандтль
Дж. Вентури
Пито
Маковский
И. И. Никурадзе
Леонард Эйлер
Жозеф Луи Лагранж
Анри Навье
Джордж Стокс
Анри Дарси
Юлиус Вейсбах
Осборн Рейнольдс

См. также

Примечания

↑ NEZU Iehisa (1995), Suirigaku, Ryutai-rikigaku, Asakura Shoten, p. 17, ISBN 978-4-254-26135-6.
↑ Гидравлика // Этимологический словарь русского языка / Под. ред. Н. М. Шанского. — М.: Издательство Московского университета, 1972. — Т. 1. Выпуск 4. — С. 70. — 216 с.
↑ А. Е. Аникин. Русский этимологический словарь. — М.: Нестор-История, 2016. — Т. 10. — С. 211. — 368 с. — ISBN 978-5-88744-087-3.
↑ Hydraulique // Trésor de la langue française informatisé
↑ Hydraulic // The Oxford English Dictionary. — Oxford: Clarendon Press, 1933. — Т. 5. — С. 483. — 758 с.
↑ Гидравлика. Статья в Физической энциклопедии. (неопр.) Дата обращения: 5 июля 2012. Архивировано 14 марта 2012 года.
↑ Гидравлика — статья из Большой советской энциклопедии.

Литература

Альтшуль А. Д., Киселев П. Г. Гидравлика и аэродинамика. — М., 1965.
Богомолов А. И., Михайлов К. А. Гидравлика. — М.: Стройиздат, 1972.
Богомолов А. И., Михайлов К. А. Гидравлика. — М., 1965.
Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. — М. — Л., 1960.
Киселев П, Г. Справочник по гидравлическим расчетам. 3-е изд. — М. — Л., 1961.
Чугаев Р. Р. Гидравлика. — М. — Л., 1970.
Чугаев Р. С. Гидравлика. — М.: Госэнергоиздат, 1970.
Пашков Н. Н., Долгачев Ф. М. Гидравлика. Основы гидрологии. — М., 1977.

Периодические издания в области гидравлики

Журнал «Гидротехническое строительство» (с 1930);
Журнал «Гидротехника и мелиорация» (с 1949);
Журнал «Известия Всесоюзного научно-исследовательского института гидротехники им. Б. Е. Веденеева» (с 1931);
«Труды координационных совещаний по гидротехнике» (с 1961),
Сборники «Гидравлика и гидротехника» (с 1961);
«Houille Blanche» (Grenoble, с 1946);
«Journal of the Hydraulics Division. American Society of Civil Engineers» (N. Y., с 1956);
«L’energia elettrica» (Mil., с 1924).