Предмет гидравлики. Краткие исторические сведения о развитии гидравлики.

При решении различных проблем в самых разнообразных отраслях промышленности часто приходится встречаться с вопросом о движении различных жидкостей, а также с вопросом о силовом (механическом) воздействия жидкости на те или другие поверхности и на обтекаемые ею твердые тела. Исследования этих вопросов постепенно привело к созданию обширной науки, которую следует называть «механикой жидкого тела» или «гидромеханикой».

Исторически сложилось так, что развитие гидромеханики, как у нас, так и за рубежом шло по двум направлениям:

• первый путь – теоретический, путь точного математического анализа, основанного на законах механики. Он привел к созданию теоретической гидромеханики, которая долгое время являлась самостоятельной дисциплиной не связанной с экспериментом. Однако на пути чисто теоретического исследования движения жидкости встречается много трудностей, и методы теоретической гидромеханики не всегда дают ответы на вопросы, выдвигаемые практикой.
• второй путь – путь широкого эксперимента и накопления опытных данных для использования их в инженерной практике – привёл к созданию технической гидромеханики или гидравлики. Этот путь возник из насущных задач практической инженерной деятельности людей. В начальный период своего развития гидравлика была наукой чисто электрической.

В настоящее же время в ней, где это возможно и целесообразно, всё больше применяют методы теоретической гидромеханики для решения отдельных задач, а теоретическая гидромеханика всё чаще начинает прибегать к эксперименту как к критерию достоверности своих выводов. Таким образом, различие в методах этих двух направлений одной и той же науки постепенно исчезает.

Из сказанного выше видно, что термины «Техническая гидромеханика», «Техническая механика жидкости» и «Гидравлика» следует рассматривать как имеющие одинаковое значение (как бы синонимы).

Гидравлика – прикладная наука, изучающая законы равновесия и движения жидкости и разрабатывающая на основе теории и эксперимента способы применения этих законов к решению различных задач инженерной практики.

Слово «гидравлика» произошло от слияния двух греческих слов «хюдор» - вода и «аулос» - труба, канал, струя.

Гидравлика – очень древняя наука. За несколько тысяч лет до нашей эры в Индии, Китае, в Египте, странах Ближнего и Среднего востока уже строились различные гидротехнические сооружения: каналы, платины, водяные колеса. Методов расчета этих сооружений в то время не существовало и определенные достижения в гидротехническом строительстве были возможны благодаря искусству и практическому опыту строителей.

Первым научным трудом в области гидравлики считается написанный примерно за 250 лет до н.э. трактат Архимеда «О плавающих телах», в котором величайший ученый древности сформулировал закон о давлении жидкости на погруженное в нее тело.

Особое развитие гидравлика получила в средние века. В XV веке Леонардо да Винчи написал труд «О движении и измерении воды в тесных сооружениях», опубликованный через 307 лет после его смерти в 1826 году.

В 1586 году голландский ученый Симон Стевин опубликовал работу «Начало гидростатики». В XVI – XVII веках Г. Галилей, Э. Таричелли, Б. Паскаль и И. Ньютон проводили исследования, позволившие разработать основы гидромеханики.

В 1755 – 1756 годах выходят в свет работы Л.П. Эйлера, где впервые приводится полная система дифференциальных уравнений равновесия и движения идеальной ж.

Основоположниками гидравлики как самостоятельной науки являются члены Петербургской академии наук М.В. Ломоносова, Д.И. Бернулли, Л.П. Эйлер. В 1738 году была опубликована работа Д. Бернулли «Гидравлика или записки о силах движения жидкости», в которой установлена зависимость между давлением и скоростью в элементарной струйке идеальной жидкости.

Представляют интерес такие работы Шизе, Вентури, Вейсбаха, Дарси, Базена и Рейнольдса. Труды этих ученых посвящены главным образом изучению турбулентности потоков и установлению общих законов сопротивления движению вязких жидкостей, а также исследованию движения жидкости в трубах, каналах и на водосливах. Большое внимание уделено в них также разработке теории размерности и подобия и постановке лабораторных экспериментов.

В 1791 году вышла в свет первое русское руководство по гидравлике А. Колмакова «Карманная книжка для вычисления количества воды, вытекающей через трубы, отверстие или по желобам, также и силы, какой они ударяют, стремясь с данной скоростью».

В конце XIX – начала XX века появились работы русских ученных: И.С. Громека, предположившего уравнения вихревого движения жидкости; Н.П. Петрова, разработавшего гидродинамическую теорию смазки; Н.Е. Жуковского, создавшего теорию гидравлического удара в трубах.

Большой вклад в развитие гидравлики принесли советские ученые: А.Н.Колмогоров (теория турбулентности), Н.Н Павловский (теория фильтрации, равномерное и неравномерное движение жидкости), И.Н. Куколевский (теория машиностроительной гидравлики), С.А.Христианович (неустановившиеся движения жидкости) и многое другие.

Гидравлику как прикладную инженерную науку широко используют в различных областях техники, она дает методы расчета и проектирования разнообразных гидротехнических сооружений, гидромашин и состоящих из них самых различных гидросистем, которые широко используются в машиностроении, на транспорте, в авиации и других отраслях промышленности.

Для расчета и проектирования таких гидросистем гидромашин, гидроприводов и систем их автоматического регулирования, а также для правильной их эксплуатации, ремонта и наладки нужно иметь соответствующую подготовку в области гидравлики и теории гидромашин. Получить такую подготовку и является основной задачей стоящей перед нашим курсом.

Изучение курса начнем непосредственно с самого понятия «Жидкость» и основных её свойств, которые необходимы нам в дальнейшем. Четкого определения понятия «жидкость» не существует и разные авторы трактуют его по своему. Наиболее общим является следующее:

Жидкостью называется сплошная среда, образующая способностью легко изменять свою форму под действием даже незначительных сил. Жидкость – агрегатное состояние вещества, сочетающая в себе черты как твердого, так и газообразного состояния. Благодаря легкоподвижности частиц, обусловленной слабостью сил межмолекулярного сцепления, и, следовательно неспособностью воспринимать в состоянии покоя даже малые касательные напряжения, жидкости легко изменяют свою форму, принимая форму того сосуда, в котором они находятся. Эта способность жидкости неограниченна деформироваться под действием сколь угодно малых сил называются текучестью. Это одно из основных свойств жидкостей.

Многие свойства жидкостей уже известны вам из физики, химии, ряда смежных дисциплин и повседневной практике. Мы же кратко рассмотрим те свойства жидкостей, которые существенны при рассмотрении задач механики жидкости – гидравлики.

1.     Плотность – ρ – называют массу жидкости в единице объема

                                 1.1

где m – масса жидкости; W – объем этой массы.

2.     Удельным весом – γ – называют вес жидкости в единице объема

                                 1.2

где G – вес, рассматриваемого объема жидкости.

Поскольку вес тела

                                       1.3

где g – ускорение свободного падения, то подставляя (1.3) в (1.2) получим взаимосвязь между удельным весом и плотностью

Для примера запишем среднее значение  и  для некоторых часто встречающихся жидкостей при температуре t=20˚С

Плотность и уд. вес жидкости зависят от температуры.

3.           Сжимаемость жидкости – это ее свойство изменять свой объем под действием давления, характеризующийся коэффициентом объемного сжатия βp, который представляет собой относительное изменение объема, приходящееся на единицу давления.

βp =  

где dp – изменение давления.

Знак минус говорит о том, что положительному приращению давления (увеличению) соответствует отрицательное приращение объема (уменьшение).

4.           Упругость – свойство жидких тел восстанавливать свой объем после прекращения действия внешних сил. Упругость характеризуется модулем объемной упругости Eo, величина которого обратная коэффициенту объемного сжатия

Для примера запишем среднее значение коэффициентов объемного сжатия и модуля объемной упругости E0 для некоторых жидкостей.

Для обычно встречающихся на практике изменений давления, можно принимать с точностью, вполне достаточной для большинства инженерных расчетов, плотность жидкостей постоянной и считать, что они несжимаемы. Так, например, при повышении давления на 0,1 МПа объем воды уменьшается всего на 1/20000 частей. Однако, в некоторых случаях, в частности, при изучении явления гидравлического удара в трубах, где сжимаемость и упругость жидкости является предопределяющими, пренебрегать этими свойствами нельзя.

5.     Температурные расширения характеризуется коэффициентом температурного расширения т, который представляет собой относительное изменение объема жидкости при изменении температуры на 1˚С, т.е.

Рассматривая конечное превращение ΔW=W-W1 и ΔT=T-T1 и принимая  постоянным получаем:

Для воды коэффициент  при температуре от 10 до 20˚С и давлении 0,1 МПа =0,00015 1/Гр, для минеральных масел =0,0008 =0,0008 1/Гр.

6.           На поверхности раздела жидкости и газа действующие силы поверхностного помещения, стремящиеся придать объему жидкости сферическую форму и вызывающие некоторое дополнительное давление. Однако это давление заметно сказывается лишь при малых объемах жидкости и для сферических объемов (капель), определяются формулой:

где - коэффициент полного натяжения жидкости; - радиус сферы.

Значение коэффициента для разных жидкостей граничащих с воздухом при 20˚С следующее: вода=0,073 H/м, керосин =0,027 Н/м, ртуть =0,46 Н/м. С ростом температуры поверхностное натяжение уменьшается.

В трубках малого диаметра поверхностное натяжение вызывает подъем (или опускания) жидкости относительно нормального уровня. Это явление называется капиллярным эффектом. Высота капиллярного поднятия воды в стеклянной трубке при t=20˚С

Диаметр трубки, мм.

А высота опускания для ртути

7.     Вязкость – это свойство жидкости оказывать сопротивление относительному движению (сдвигу) слоев жидкости. Представим слой, движущейся жидкости вдоль поверхности. В случае тормозящего влияния стенки слои и жидкости будут двигаться… с разными скоростями, значения, которых возрастают по мере отдаления от стен. Рассмотрим два слоя жидкости, движущейся на расстоянии dy друг от друга. Вследствие разности скоростей один слой движется быстрее другого на величину du, а величине du/dy является градиентом скорости. Возникающее при этом относительном движении касательное напряжение  на границе слоев аналогично явлению сдвига в твердых телах и пропорционально градиенту скорости деформации, т.е.

 - коэффициент пропорциональности, который называется Коэффициент динамической вязкости…

В качестве единицы измерения величины принимают так называемые Пуаз.

В практических расчетах часто пользуются кинематическим коэффициентом вязкости, представляющим собой отношение динамического коэффициента вязкости к плотности жидкости.

В качестве единицы измерения кинематической вязкости используют Стоклы.

Вязкость жидкости существенно зависит от температуры, с увеличением температуры вязкость уменьшается.

В качестве примера приведем величины вязкости для некоторых часто встречающихся жидкостей:

Следует отметить, что существует ряд жидкостей, вязкость которых зависит не только от температуры, но и от скорости деформации. Такие жидкости называются неньютоновскими.

Вязкость жидкостей измеряется приборами, которые называются вискозиметрами.

Кроме перечисленных, жидкости обладают целым рядом свойств, таких как газосодержание, испарение, кипение, теплоемкость и др., которые рассматриваются в специальных курсах.

Следует отметить, что с целью облегчения решения многих задач инженерной гидравлики введено понятие идеальной жидкости – это условная жидкость, которая обладает абсолютной несжимаемостью, подвижностью и отсутствием сил сцепления,