Размещено на http://www.allbest.ru/

История развития гидравлики и гидромеханики

Введение

гидравлика гидромеханика наука строительный

Гидравлика и гидромеханика в целом довольно обширно изучены. Изучением гидравлики ещё в древние времена занимались такие учёные как Архимед, Фронтин, Леонардо да Винчи, Симон Стевин. Также можно отметить имена следующих известных учёных, которые способствовали развитию науки в 17-18 века это Костелли, Торричелли, Паскаль, Ньютон, Аристотель, Гюйгенс, Бернулли, Эйлер и Ломоносов. В 19-20 века большие успехи в этой области были достигнуты Кирхгоффом, Гельмгольцем, Жуковского, Пуассоном, Стоксом, Петровым, Бахметевым и др. Научные труды учёных, занимавшихся изучением гидравлики и гидромеханики внесли большой вклад в научную мысль в этой области.

Целью данного реферата является изучить историю развития гидравлики и гидромеханики с древних времен и по последние десятилетия.

Задачей реферата является обширно рассмотреть историю развития гидравилики и гидромеханики.

Гидравлика -- прикладная наука, изучающая законы равновесия и движения жидкостей и дающая на основе теории и опыта способы применения этих законов к разрешению различных задач инженерной практики. Гидравлика может быть подразделена на две части: гидростатику, в которой изучаются законы равновесия жидкости, и гидродинамику, в которой изучаются законы движения жидкости. Название «гидравлика» происходит от сочетания двух греческих слов hydro- вода и aulos - труба¹. Латышенков А.М., Лобачев В.Г. Гидравлика [Текст] / Латышенков А.М., Лобачев В.Г. - М.: Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре, 1956.- С. 9, С.9]

Возникновение гидравлики как науки в древнее время можно объяснить практической необходимостью объединения правил и опыта проведения воды по трубам, т.е. расчета и строительства водопроводов. Содержание современной гидравлики несравненно шире: она изучает также движение жидкостей в открытых руслах и сооружениях и движение грунтовых вод.

Гидравлику можно назвать базовой теоретической дисциплиной для обширного круга прикладных наук, с помощью которых исследуются процессы, сопровождающие работу гидравлических машин, гидроприводов. С помощью основных уравнений гидравлики и разработанных ею методов исследования, решаются важные практические задачи, связанные с транспортом жидкостей и газов по трубопроводам, а также с транспортом твёрдых тел по трубам и другим руслам. Гидравлика также решает важнейшие практические задачи, связанные с равновесием твёрдых тел в жидкостях и газах, т.е. изучает вопросы плавания тел.

Изучением равновесия и движения жидкостей занимается и другая наука - теоретическая гидромеханика, носящая строго математический характер и дающая общие и точные решения. Гидравлика как прикладная наука разрешает вопросы, нужные и важные для инженерной практики, и поэтому она рассматривает различные вопросы более упрощенно, производя оценку главных элементов гидравлических явлений, и часто прибегает к использованию результатов опытов.

Широкое использование в практической деятельности человека различных гидравлических машин и механизмов ставят гидравлику в число важнейших дисциплин, обеспечивающих научно-технический прогресс.

Большой практический интерес к изучению механики жидкости вызван рядом объективных факторов. Во-первых, наличие в природе значительных запасов жидкостей, которые легко доступны человеку. Во-вторых, жидкие тела обладают рядом полезных свойств, делающих их удобными рабочими агентами в практической деятельности человека. Немаловажным следует считать и тот фактор, что большинство жизненно важных химических реакций обмена протекают в жидкой фазе (чаще всего в водных растворах).

История свидетельствует об успешном решении ряда практических задач с использованием жидкостей уже на самих ранних стадиях развития человека.¹[1, С.37]

По этим причинам особый интерес человек проявил к жидкостям на самой ранней стадии своего развития. Вода и воздух (иначе жидкость и газ) были отнесены к числу основных стихий природы уже первобытным человеком.

1.Этапы развития гидравлики и гидромеханики в древности, средние века и Эпоху Возрождения

Период Древней Греции

История развития механики жидкости полностью подтверждает известное материалистическое положение о глубокой взаимной связи между наукой и запросами практики, между научной теорией и бытием общества, условиями его материальной жизни.

Если античная механика твердого тела зародилась главным образом в связи с грандиозными строительными работами древних и необходимыми для этих работ подсобными механизмами, то созданию первых идей механики жидкости способствовали, естественно, вопросы, возникающие при наблюдении и использовании движения твердых тел в воде и воздухе, т. е. в первую очередь вопросы судостроения, мореплавания и полета метательных снарядов.

Замечательно, что первые высказывания древних философов на этот счет относятся к движению тел, а не к равновесию их. Сравнительная медленность движений, наблюдавшихся в то время, при полном отсутствии правильных представлений об инертности тел и движении по инерции (материя косна, всякое движение поддерживается силой и прекращается после ее исчезновения), не позволили древним обнаружить основное гидроаэродинамическое явление - сопротивление воды и воздуха движущимся в них телам.

Общеизвестны заслуги Архимеда (287 -212 гг. до н. н. э.) как создателе теории равновесия жидкости и, в частности, плавания тел; знаменитый его закон и по настоящее время служит основой гидростатики.

Представитель древнегреческой школы Ктезибий (II или I век до н. э.) изобрел пожарный насос, водяные часы и некоторые другие гидравлические устройства. Герону Александрийскому (вероятно, I век н.э.) принадлежит описание сифона, водяного органа, автомата для отпуска жидкости и т. п.¹¹¹

Период Древнего Рима

Римляне заимствовали многое у греков. В Древнем Риме строились сложные для того времени гидротехнические сооружения: акведуки, системы водоснабжения и т. п. В своих сочинениях римский инженер-строитель Фронтин (40-103 г. н.э) указывает, что во времена Траяна в Риме было 9 водопроводов, причем общая длина

водопроводных линий составляла 436 км. Можно предполагать, что римляне уже обращали внимание на наличие связи между площадью живого сечения и уклоном дна русла, на сопротивление движению воды в трубах, на неразрывность движения жидкости. Например, Фронтин писал, что количество воды, поступившей в трубу, должно равняться количеству воды, вытекающей из нее.¹ [1, С.98]

Период Средних веков

Этот период, длившийся после падения Римской империи около тысячи лет, характеризуется, как принято считать, регрессом, в частности, и в области механики жидкости.² [2, С.64]

Эпоха Возрождения

В течение второй половины XV века и в XVI веке начали развиваться экспериментальные исследования, постепенно опровергавшие схоластические воззрения, поддерживаемые католической церковью. В этот период в Италии появилась гениальная личность - Леонардо да Винчи (1452 - 1519), который, как известно, вел свои научные (экспериментальные и теоретические) исследования в самых различных областях; в частности, Леонардо изучал принцип работы гидравлического пресса. Он изобрел центробежный насос, парашют, анемометр. Различные работы Леонардо отражены в сохранившихся 7 тыс. страниц его рукописей, хранящихся в библиотеках Лондона, Виндзора, Парижа, Милана и Турина. По-видимому, справедливо будет признать, что Леонардо да Винчи является основоположником механики жидкости.

К периоду Возрождения относятся и работы нидерландского математика-инженера Симона Стевина (1548-1620), определившего величину гидростатического давления на плоскую фигуру и объяснившего «гидростатический парадокс».³ [3, С.96] Стевин первый строго проформулировал известный в механике принцип затвердевания, позволяющий в гидростатике применять обычные приемы статики твердого тела. При пользовании этим принципом закон Архимеда доказывается крайне просто.

2. Развитие гидравлики и гидромеханики в Новое время и в Эпоху Возрождения

В это время механика жидкости все еще находилась в зачаточном состоянии. Вместе с тем здесь можно отметить имена следующих ученых, способствовавших ее развитию: Кастелли (1577-1644) - преподаватель математики в Пизе и Риме - в ясной форме изложивший принцип неразрывности; Торричелли (1608-1647) - выдающийся математик и физик - дал формулу расчета скорости истечения жидкости из отверстия и изобрел ртутный барометр; Паскаль (1623-1662) - выдающийся французский математик и физик - установивший, что значение гидростатического давления не зависит от ориентировки площадки действия, кроме того, он окончательно решил и обосновал вопрос о вакууме; Ньютон (1643-1727) - гениальный английский физик, механик, астроном и математик - давший наряду с решением ряда гидравлических вопросов приближенное описание законов внутреннего трения жидкости. [1, С.3]

Начало и середина XVIII века

Период середины и конца XVIII века характерен тем, что в это время формируются теоретические основы современной механики жидкости. Анализируя соответствующий исторический материал, можно видеть, что вопрос о вакууме осознавался человечеством на протяжении 2 тыс. лет (от Аристотеля, неправильно осветившего этот вопрос, до Паскаля); вопрос о неразрывности движения жидкости - на протяжении 1,5 тыс. лет (от Фронтина до Кастелли). Такое положение объясняется тем, что прежде чем уяснить подобные вопросы (с современной точки зрения достаточно простые), следовало предварительно ясно себе представить основные положения физики и механики, которые в наше время люди усваивают с детского возраста: вопрос о силе тяжести и всемирном тяготении, вопрос о скорости и ускорении, о давлении атмосферы и т. п. Только освоив такие представления, можно легко разобраться в «элементарных» положениях механики жидкости. Однако решение всех этих вопросов физики и механики являлось весьма трудной задачей: на пути раскрытия их стояла католическая церковь, различные предрассудки, а также существовавшие метафизические объяснения различных явлений (например, говорили, что снаряд летит в воздухе потому, что тот, кто отлил его, ввел в него известную силу, которая и обусловливает движение снаряда; Аристотель учил, что летящую стрелу приводит в движение воздух и т. п.).

Вопрос о сущности сопротивления среды и, особенно, выяснение количественных законов сопротивления представляли долгое время непреодолимые затруднения. Даже великий итальянский физик, механик и астроном, основоположник экспериментальной механики Галилео Галилей (1564-1642) дал, по существу, лишь качественную оценку сопротивления. Поставив опыты с колебанием маятников, Галилей вывел из этих опытов заключение о пропорциональности сопротивления первой степени скорости движения тела.

Только Гюйгенс (1629 -1695) на основании более точных опытов указал более близкий к действительности (для тел плохо обтекаемой формы) закон пропорциональности сопротивления квадрату скорости движущегося тела.

Ньютон (1642-1727) в своих знаменитых «Началах» приводит теоретический вывод квадратичного закона сопротивления. В этой первой в истории механики попытке выяснения сущности явления сопротивления уже можно найти зародыши идей, близких к нашим современным представлениям.

Полное сопротивление тела, по Ньютону, складывается из сопротивления, зависящего от инертности жидкости (это соответствует современному представлению о сопротивлении давления), и сопротивления, определяемого трением жидкости о поверхность обтекаемого тела (ныне называемого сопротивлением трения); наряду с этими двумя основными составляющими сопротивления отмечается также более слабое влияние упругости жидкости и сил сцепления в ней.

Исходя из представления об изменении количества движения окружающей тело жидкости за счет действия на нее лобовой части тела, Ньютон получает квадратичный закон зависимости первой составляющей сопротивления от скорости. Что касается второй составляющей сопротивления, зависящей от трения, то для ее определения Ньютон дал уже ставшую классической формулу пропорциональности напряжения трения между двумя слоями жидкости относительной скорости скольжения этих слоев. Последняя формула носит имя Ньютона, обобщена на любой случай движения как несжимаемой жидкости, так и сжимаемого газа и служит основой всей современной механики вязкой жидкости. Сопротивление трения, по Ньютону, оказывается пропорциональным первой степени скорости, остальные составляющие сопротивления (упругость газа, силы сцепления в нем) Ньютон оценивает некоторой постоянной величиной, вследствие чего для полного сопротивления получает трехчленную формулу, состоящую из квадратичного члена, линейного члена и постоянного слагаемого. В настоящее время эта формула уже не представляет особого интереса, но свою историческую роль она, несомненно, сыграла. Следует отметить, что Ньютон определил коэффициенты своей формулы на основании целого ряда тщательно проведенных опытов.

Таким образом, Ньютон и его последователи связывали происхождение квадратичной части сопротивления с ударом жидкости в лобовую часть обтекаемого тела, совершенно не считаясь с давлением жидкости на кормовую его часть. Наоборот, противники Ньютона, ссылаясь на Аристотеля, указывали, что жидкость, смыкаясь за кормовой частью тела, должна оказывать противоположное по направлению действие, что может привести к ослаблению и даже уничтожению сопротивления.

Этот, на первый взгляд парадоксальный, результат был в дальнейшем доказан Даламбером. Дискуссия, возникшая вокруг этого вопроса, много способствовала установлению правильного понимания природы сопротивления, так как направила внимание ученых на изучение влияния физических свойств жидкости и, в первую очередь, вязкости ее на возникновение сопротивления.

И вот к середине XVIII века трудами ряда ученых (Галилея, Коперника, Кеплера, Паскаля, Декарта, Гука, Ньютона, Лейбница, Ломоносова, Клеро и многих других) сформировались теоретические основы современной механики жидкости. После этого относительно быстро начали создаваться современные научные основы механики жидкости. Эти научные основы были заложены тремя учеными XVIII века: Даниилом Бернулли, Эйлером и Д'Аламбером. [1, С.174]

Середина и конец XVIII века. Эпоха Эйлера и Бернулли.

Фундаментальные открытия Галилея, Гюйгенса и Ньютона, приведшие к небывалому расцвету общей механики в конце XVII в., подготовили все предпосылки к мощному скачку в развитии механики жидкости и газа. Особенное значение имело установление Ньютоном основных законов и уравнений динамики. Отныне и гидродинамика начинает переходить от рассмотрения отдельных, подчас не связанных между собою, задач к систематическому изложению своих специфических законов и методов, что превращает ее в самостоятельный раздел механики.

Честь создания теоретической гидродинамики, как специальной науки с широкими задачами и строгими методами их разрешения, принадлежит Российской Академии наук в лице ее двух академиков - Леонарда Эйлера (1707-1783) и Даниила Бернулли (1700-1783).¹

В своем трактате «Общие принципы движения жидкостей» (1755) Эйлер первый вывел основную систему уравнений движения идеальной жидкости, положив начало аналитической механике сплошной среды. Эйлеру гидродинамика обязана введением понятия давления и противопоставлением этого понятия ньютонианским «ударам» частиц жидкости о поверхность тела. Следует заметить, что и в настоящее время часто приходится встречаться с неправильными воззрениями на этот счет; стоит поэтому вспомнить слова Эйлера относительно того, что жидкость, до достижения тела изменяет свое направление и скорость так, что, подходя к телу, протекает мимо него вдоль его поверхности и не прилагает к телу никакой другой силы, кроме давления, соответствующего отдельным точкам соприкосновения», Эйлеру принадлежит первый вывод уравнения сплошности жидкости (в частном случае Движения жидкости по трубе этот закон был дан задолго до Эйлера в 1628 г, Кастелли - учеником Галилея), своеобразная и ныне общепринятая формулировка теоремы об изменении количества движения применительно к жидким и газообразным средам, вывод знаменитого «турбинного уравнения», создание теории реактивного колеса Сегнера и мн. др. Велика роль Эйлера в продолжающейся дискуссии о происхождении сопротивления. Эйлер совершенно отчетливо показывает значение понятия давления и разъясняет парадокс Даламбера о равенстве нулю равнодействующей сил давления идеальной жидкости на плавно обтекаемое тело, подчеркивая отличие действительной жидкости с внутренним трением в ней от идеальной. «Если некоторые люди увлекутся и будут думать, - говорит Эйлер, - что можно продвигать тела через жидкость, не встречая сопротивления, так как сила, с которою жидкость действует на переднюю часть тела, будет уничтожаться действием такой же силы на заднюю часть, что не имеет места при течении действительных жидкостей, то такой вывод будет неправилен». В ряде своих работ Эйлер отмечает влияние трения в действительных жидкостях на создание сопротивления - взгляд, роль Эйлера как основоположника теоретической гидродинамики, предопределившего своими исследованиями развитие гидродинамики более чем на столетие вперед, в настоящее время общепризнанна. Можно с удовлетворением отметить, что этот мощный скачок, подготовленный накопленными теоретическими и экспериментальными достижениями ньютоновского и посленьютоновского периодов, был осуществлен выдающимся ученым, вся жизнь и научная деятельность которого была тесно связана с Российской Академией наук, ныне Академией наук СССР. Приехав в Россию в двадцатилетнем возрасте, швейцарец Эйлер отдал Петербургской Академии всю силу молодого таланта, способствуя гениальными исследованиями поднятию научного авторитета тогда еще молодой Академии своей второй родины. В мрачную эпоху «бироновщины», когда Академия засорилась чужестранными авантюристами и лжеучеными, с которыми смело боролся М. В. Ломоносов, Эйлер решил временно уехать из России. Однако Эйлер не порывает с Петербургом, печатает в академических изданиях свои фундаментальные сочинения по основам гидродинамики, по теории реактивного сегнерова колеса и др., помогает М. В. Ломоносову, другом и защитником которого он всегда был, бороться с иностранной кликой и, наконец, в 1761 г. возвращается в Петербург, где продолжает плодотворно работать до самой смерти.

Рядом с Эйлером должно быть поставлено имя другого выдающегося механика, петербургского академика Даниила Бернулли, выходца из Голландии, сына знаменитого математика Иоганн Бернулли.

Наибольшее значение для развития механики жидкости и газа имел замечательный трактат Бернулли «Гидродинамика» - «академический труд, выполненный автором во время работы в Петербурге», как значится на титульном листе этой книги, опубликованной в 1738 г. С выходом этого трактата связано, между прочим, появление термина «гидродинамика».

Основываясь на законе сохранения «живой силы», открытом для частного случая колебания маятника еще Гюйгенсом и получившем широкое распространение в первой половине XVIII в., Бернулли излагает в «Гидродинамике» свою знаменитую теорему, устанавливающую общую связь между давлением, высотой и скоростью движения жидкости. Теорема эта, частный случай которой был указан Торичелли (1608-1647) в 1644 г., в настоящее время является фундаментальной теоремой гидродинамики, обобщенной в XIX в. на случай сжимаемого газа.

Согласно теореме Бернулли, в тех точках потока, где понижается скорость, должно возрастать давление - результат, который вначале казался парадоксальным. Действительно, в это же время в связи как с ньютоновскими воззрениями на давление жидкости на обтекаемое тело, гак и с исследованиями самого Бернулли о давлении жидкости на преграду, прочно установился как будто противоположный взгляд о возрастании давления жидкости с возрастанием ее скорости. Эйлер, которому, кстати говоря, мы обязаны современной формулировкой теоремы Бернулли (напоминаем, что Эйлер первый ввел в гидродинамику четкое понятие давления), пояснил кажущуюся парадоксальность теоремы Бернулли следующими словами: «вся сложность понимания этого предложения устраняется, если считать, что здесь сравнение производится не между скоростями двух разных течений, а между разными скоростями вдоль данной струи, которая обтекает поверхность тела» - пояснение, заслуживающее быть приведенным в любом современном руководстве по гидродинамике.

Великий русский ученый М. В. Ломоносов (1711-1765), современник Эйлера и Бернулли, еще в сороковых годах XVIII столетия заложил основы учения об упругости газов и теплоте» высказав глубокие мысли о физической структуре газа и кинетической природе происходящих в нем процессов. Вместе с тем М В. Ломоносов много сделал для развития изучения верхних слоев атмосферы, не только само лично изобретая необходимые приборы (например, анемометр), но и создавая смелые проекты летательных аппаратов для исследования атмосферы.

В развитии аналитической механики жидкости и газа большую роль сыграл также Даламбер (1717-1783), применивший к сплошным средам свой знаменитый общий принцип, и поныне носящий его имя. «Парадокс» Даламбера, о котором уже неоднократно была речь выше, появился в свет в 1744 г. в «Трактате о равновесии и движении жидкости». Сам Даламбер не дал удовлетворительного объяснения обнаруженному им факту отсутствия сопротивления тел при теоретическом его определении. «Странный парадокс, объяснение которого предоставляю мaтематикам», - пишет Даламбер.

Даламбер возглавлял обширные экспериментальные исследования сопротивления тел, предпринятые им в связи с задачей о сопротивлении кораблей в каналах. Эти опыты подтвердили квадратичную зависимость сопротивления от скорости движения тела, пропорциональность сопротивления тела площади его миделевого сечения, малое влияние вязкости жидкости на сопротивление при больших скоростях и мн. др.

Работы Эйлера, Бернулли и Даламбера завершили большой этап развития гидродинамики идеальной жидкости, приведший к почти законченному формированию этого основного раздела механики жидкости и газа. Лагранж (1736-

1813) в своих гидродинамических работах усовершенствовал методы Эйлера и Даламбера и дол дальнейшее развитие аналитическим методам гидродинамики. [1, С.197]

3. История гидравлики и гидромеханики в XIX веке

Этот период знаменуется, с одной стороны, дальнейшей математической разработкой гидродинамики идеальной жидкости, в частности, решением таких задач ее, как плоское и пространственное безвихревое движение, струйное разрывное движение, вихревое движение, волновое движение тяжелой жидкости, с другой - зарождением двух новых разделов, имеющих особое значение для современной гидроаэродинамики: динамики вязкой жидкости и газовой динамики.

Простейшим и наиболее глубоко и всесторонне изученным случаем интегрирования уравнений Эйлера для несжимаемой жидкости является так называемое безвихревое движение с потенциалом скоростей. Понятие потенциала скоростей было введено самим Эйлером. Лагранж в 1781 г. первый нашел те динамические условия, при выполнении которых будет существовать безвихревое движение с потенциалом скоростей. Теорема Лагранжа, лежащая в основе всей теории безвихревого течения и оправдывающая практическое применение теории, была в 1815 г. более строго доказана Коши (1789-1857).

Наибольший интерес представляет плоское безвихревое движение, для которого, кроме потенциала скоростей, существует еще функция тока, введенная впервые Лагранжем в 1781 г.; кинематическая интерпретация функции тока, связанная с понятием линии тока, была дана значительно позднее (в 1864 г.) Рэнкиным. Наличие этих двух функций - потенциала скоростей и функции тока, удовлетворяющих в отдельности уравнениям Лапласа, позволило свести решение гидродинамической задачи к разысканию одной комплексной функции - комплексного потенциала. Подробное изложение этого метода, весьма близкого к современному, можно найти в двадцать первой лекции классических «Лекций по математической физике» (ч. 1, Механика) Кирхгоффа (1876). Отдельные задачи плоского безвихревого потока решались и ранее самим Кирхгоффом в 1845 г. и Гельмгольцем в 1868г. Заметим, что с математической стороны эти задачи эквивалентны аналогичным задачам электростатики. Наряду с плоским стационарным безвихревым движением были изучены некоторые простейшие задачи нестационарного движения (Рэлей в 1878 г., Лэмб в 1875 г. и др.). Особенно больших успехов метод комплексной переменной достиг в теории обтекания тел со срывом струй, созданной трудами Гельмгольца, Кирхгоффа и Жуковского. Подлинного своего расцвета плоская задача безвихревого стационарного и нестационарного движения достигла в первую четверть нашего столетия в замечательных работах ученых московской школы, о чем еще будет речь впереди.

Пространственная задача о движении несжимаемой жидкости с потенциалом скоростей исследовалась параллельно с плоской. Отсутствие в пространстве комплексного переменного привело к необходимости непосредственного решения

уравнения Лапласа при заданных граничных, а в случае нестационарного движения, и начальных условиях. Пространственная задача развивалась в тесном контакте с близкими ей задачами теории потенциала. Первая задача о пространственном безвихревом обтекании тела (шара) была разрешена Пуассоном в 1828 г. и затем обобщена и уточнена Стоксом в 1843 г. и Лежен - Дирихле в 1852 г. Безвихревое течение несжимаемой жидкости в эллипсоидальном сосуде и обтекание эллипсоида при поступательном и вращательном его движении было изучено в период 1843 - 1883 гг. целым рядом ученых, в числе которых можно отметить Клебша, Бельграми, Грина и др.¹

Продольное обтекание осесимметричных тел, для которого, как показал Стокс еще в 1842 г., существует функция тока, допускает приближенное исследование простым методом наложения однородного поступательного потока на систему источников, стоков или диполей; метод этот, иногда называемый «методом особенностей», был предложен впервые Рэнкиным в 1868 г. и получил широкое распространение.

Общая теория движения твердого тела в жидкости была дана Кирхгоффом в 1869 г, и изложена в его ранее уже упомянутых «Лекциях». Теория эта является одним из наиболее изящных разделов аналитической механики.

Фундаментальные результаты в этой области принадлежат русским ученым, в числе которых такие всемирно известные имена, как Н. Е. Жуковский и С А. Чаплыгин, А. М. Ляпунов и В. А. Стеклов; С. А. Чаплыгин дал движению твердого тела в жидкости геометрическую интерпретацию, не уступающую по глубине и наглядности классической интерпретации Пуансо движения твердого тела по инерции в пустоте.

В разработке теории движения твердого тела в жидкости принимали участие крупнейшие зарубежные ученые XIX в.: Томсон и Тэт, Максвелл, Клебш и др.

Два новых существенных раздела гидродинамики идеальной жидкости: волновое и вихревое движения - были созданы в рассматриваемый период времени. Теория волнового движения развивалась главным образом в связи с вопросами качки волнового сопротивления корабля, а также теории приливных волн в каналах и реках.

Первые исследования, связанные с приближенной теорией «длинных» волн на поверхности тяжелой жидкости, принадлежат Лагранжу и относятся к 1781г.; имя Лагранжа носит основное дифференциальное уравнение распространения волн и первая формула скорости их распространения. Классическим мемуаром, содержащим строгую теорию волн малой амплитуды, является появившийся в 1815г. мемуар Коши. Среди лиц, способствовавших развитию теории волн малой амплитуды, мы находим имена Лапласа, Пуассона, Эри, Стокса, Рэнкина и др. Теорию волнового сопротивления дал Митчелл и, независимо от него, несколько позднее - Н. Е. Жуковский.

Во второй половине XIX в. появилось учение о вихревом движении жидкости, создателем которого справедливо считают Гельмгольца, указавшего в 1858 г. основные свойства вихрей в идеальной жидкости. Само понятие вихря и его интерпретация, как угловой скорости вращения жидкого элемента в целом, были даны раньше: Коши в 1815 г. и Стоксом в 1847 г.; возможность движения без потенциала скоростей была указана Эйлером еще в 1775 г. Теория вихрей имеет обширную литературу, в которой тесно переплетаются вопросы гидродинамики с аналогиями в области электричества и магнетизма. Магнитные линии вокруг электрического проводника эквивалентны линиям тока вокруг вихревой нити (теорема Био-Савара служит основой как для расчета движения жидкости вокруг вихревых линий, так и для расчета магнитного поля вокруг электрического тока). Теория вихрей сыграла большую роль в развитии динамики атмосферы, теории крыла самолета, теории пропеллера и корабельного винта и др.

Особенно принципиальное значение для развития всей современной гидроаэродинамики имело возникновение в начале XIX в. механики вязкой жидкости и сжимаемого газа.

Теория движений вязкой жидкости в форме, весьма близкой к современной, была опубликована в 1845 г. Стоксом (1819-1903), который, выделив из общего перемещения элемента жидкости деформационную часть, указал простую линейную зависимость возникающих в жидкости напряжений от скоростей деформаций, т. е. дал обобщение ранее уже упомянутого закона Ньютона. До Стокса, основываясь на некоторых специальных молекулярных гипотезах относительно свойств реальных газов, уравнения движения вязкого газа выводили: в 1826 г. Навье (1785-1836), в 1831 г. Пуассон (1781-1846) и в 1843 г. Сен-Венан (1797-1886).

Развитие механики вязкой жидкости отвечало практическим запросам со стороны энергично развивавшихся в XIX в. гидравлики и гидротехники, учения о трении в машинах, физики и химии нефтяных и других смазочных веществ. Первые опыты, показавшие преобладающее влияние сил вязкости на сопротивление при малых скоростях, принадлежали Кулону (1801), Дюбуа (1779) и Дюшемену (1829).

Основное значение имели теоретические и экспериментальные исследования сопротивления в трубах и каналах при движении в них воды и других вязких жидкостей. Теоретическое решение этой задачи было дано самим Стоксом в 1846 г. и Стефаном в 1862 г. Обстоятельные экспериментальные исследования движения вязкой жидкости в трубах очень малого диаметра были проведены Ж. Пуазейлем в 1840-1842 гг. и О. Рейнольдсом в период 1876-1883 гг. Более ранние опыты были проведены Хагеном и опубликованы в 1839 г. Ко времени работ Пуазейля и Рейнольдса относится открытие двух различных режимов движения вязкой жидкости в трубах - ламинарного и турбулентного. Работы Рейнольдса послужили началом создания теории турбулентного движения, применение которой в вопросах гидравлики, гидротехники, метеорологии, теории сопротивления и теплопередачи оказалось весьма обширным и плодотворным.

Изучение движения вязкой жидкости между двумя вращающимися цилиндрами привело в 1883 г. знаменитого русского инженера Н. П. Петрова к созданию гидродинамической теории трения обильно смазанных подшипников. Строгое решение той же задачи было указано Н. Е. Жуковским в работах, опубликованных в 1886 и 1887 гг. Уточнение и обобщение этой теории трения было проведено в работах Рейнольдса, Зоммерфельда, Митчелла и др.

Рассмотрение движения вязкой жидкости по капиллярным трубкам легло в основу создания теории фильтрации жидкости сквозь песчаные грунты и трещиноватые породы. Первые шаги в этом направлении были сделаны французским гидравликом Дарси в 1856 г., показавшим пропорциональность скорости фильтрации потере напора. Практические задачи о фильтрационных движениях воды в грунтах под гидротехническими сооружениями, нефти сквозь почву и другие составили предмет огромного числа исследований; особенно надо отметить замечательные работы Н. Е. Жуковского в 1889 и 1890 гг., а также теорию плоского фильтрационного движения академика Н. Н. Павловского, опубликованную в 1921 г.¹ 1, С.13]

4. Развитие технической механики жидкости (гидравлики) в области инженерно-строительных специальностей в течение первых десятилетий XX века

В начале XX в. в гидравлике наметилось много самых различных научных направлений, которые можно классифицировать по разным признакам, например:

а)по виду рассматриваемой текучей среды; здесь можно различать воду, воздух, нефть, разные двухфазные жидкости, так называемые, неньютоновские и аномальные жидкости, электропроводящую или магнитную среду, плазму; сюда можно отнести стратифицированные потоки и т. п.;

б)в зависимости от отрасли техники или отрасли знаний, где используется аппарат гидромеханики, можно различать: аэронавтику, судостроение, гидромашиностроение, инженерно-строительное дело (в частности, гидротехнику), баллистику, гидроавтоматику, химическую технологию, метеорологию, океанологию и т. п.;

в)можно различать отдельные гидромеханические теории, которые иногда полагаются в основу решения задач, относящихся к различным областям техники: теорию турбулентности; задачи неустановившегося движения; теорию смазки и ламинарного движения; теорию движения жидкости (в частности, нефти и газа) в пористых средах и т.п.

В XX в. (да и в конце XIX в.) из технической механики жидкости начали выделяться отдельные иногда в значительной мере изолированные друг от друга направления, которые приходится рассматривать отдельно. Ниже, касаясь только инженерно-строительного направления гидравлики, осветим главнейшие работы, относящиеся к этому направлению и выполненные в период до 20-30-х годов настоящего столетия.

Ф. Форхгеймер (1852-1933) - немецкий профессор - рассмотрел гидравлические сопротивления, волны перемещения, колебания горизонтов воды в уравнительных резервуарах ГЭС, некоторые виды деформаций песчаных русел. Особенно важны исследования Форхгеймера в области вопросов фильтрации.

М. Вебер (1871-1951) - немецкий профессор - придал принципам гидродинамического подобия современные формы.

Л. Прандтль (1875-1953) - немецкий профессор, инженер - разработал (наряду С Тейлором и Карманом) полуэмпирическую теорию турбулентности; исследовал гидравлические сопротивления в трубах. С именем Прандтля связан ряд понятий из области механики жидкости. Работы Прандтля в области теории пограничного слоя явились основополагающими.

М. А. Великанов (1879-1964) - советский ученый, член-корреспондент АН СССР - разрабатывал теорию турбулентности, исследовал движение наносов и русловые деформации, предложил так называемую гравитационную теорию движения взвешенных наносов.

Б. А. Бахметев (1880 - 1951) - русский ученый, инженер путей сообщения - работая в Петербургском политехническом институте, заложил основы современной русской гидравлической школы, опубликовав ряд книг, в которых осветил различные разделы гидравлики. Б. А. Бахметев решил в достаточно общей форме задачу об интегрировании дифференциального уравнения неравномерного движения в призматических руслах.

Блазиус (р. 1883) - немецкий ученый - впервые показал, что для «гладких труб» коэффициент сопротивления зависит только от одного параметра - числа Рейнольдса.

Н. Н. Павловский (1886-1937) - советский ученый, академик, инженер путей сообщения - в 1922 г. опубликовал основы математической теории фильтрации воды в грунтах; предложил метод электромоделирования фильтрационных потоков (метод ЭГДА); издал первый в России «Гидравлический справочник» и монографию по основам гидравлики; решил ряд гидравлических задач, относящихся к инженерно-строительной гидравлике. Н. Н. Павловский создал научно-педагогическую школу в области гидравлики на базе общеинститутской кафедры гидравлики Ленинградского политехнического института.

Н. М. Вернадский (1882-1935) - советский ученый, инженер путей сообщения - впервые связал определение тепловых потерь с полем скоростей в прудах-охладителях; предложил важную модель «планового потока», нашедшую себе широкое применение.

К 20-30-м годам XX в. была создана обширная лабораторная база, на основе которой решались самые различные вопросы гидравлики. Равным образом были проведены также обширные натурные (полевые) наблюдения, позволившие составить соответствующие эмпирические формулы или откорректировать (применительно к реальным условиям) формулы, полученные для различных идеализированных схем теоретическим путем.

Первое место среди создателей современной механики жидкости и газа принадлежит по праву советским ученым, которые не только продвинули далеко вперед теорию, но и разработали замечательные методы экспериментального исследования гидродинамических явлений.

Значительное развитие и углубление получила гидродинамика плоского безвихревого потока в работах М. В. Келдыша, М. А. Лаврентьева, Л. И. Седова и других, продолжавших с успехом применять в теории крыла методы теории функций комплексного переменного, в свое время выдвинутые Н. Е. Жуковским и С. А. Чаплыгиным. Исследования Жуковского по обтеканию тел с отрывом струй были обобщены и получили новые применения в работах М. А. Лаврентьева, А. И. Некрасова и др.

М. В. Келдыш и М. А. Лаврентьев свели задачу о колеблющемся профиле к определению обтекания крыла со скачком потенциала на прямолинейном вихревом следе за крылом, обобщив, таким образом, метод Чаплыгина на случай крыла с переменной циркуляцией. Л. И. Седов дал общие формулы силы и момента, действующих на произвольно движущееся крыло.

Теория волнового движения тяжелой жидкости, волнового сопротивления, а также теория движения тела вблизи свободной поверхности жидкости достигли своего подлинного расцвета в работах русских ученых послереволюционного периода. Ряд фундаментальных исследований по классической теории волн, по волнам в жидкости конечной глубины, по теории волн конечной амплитуды и другим вопросам принадлежит акад. Н. Е. Кочину и акад. А. И. Некрасову. Теория волнового сопротивления получила развитие в исследованиях Л. Н. Сретенского. Движение твердого тела вблизи свободной поверхности, в частности, движение подводного крыла, составило предмет изысканий М. В. Келдыша, Н. Е. Кочина, М. А. Лаврентьева и др. Л. И. Седов первый строго поставил и разрешил задачу о глиссировании тела по поверхности тяжелой жидкости. Всемирную известность получили ставшие уже классическими исследования выдающегося советского механика и кораблестроителя акад. А. Н. Крылова - основоположника теории качки корабля на волнении.

Явление удара тела о свободную поверхность тяжелой жидкости, изученное впервые Н. Е. Жуковским еще в 1910 г., было с исчерпывающей полнотой исследовано М. А. Лаврентьевым, М. В. Келдышем, Л. И. Седовым и другими в период 1932-1934 гг.; работы этих ученых показали всю силу метода теории комплексного переменного в задачах гидродинамики.

Из наиболее важных работ в области, смежной между гидродинамикой и гидравликой, отметим прежде всего фундаментальные исследования акад. С.А.Христиановича по теории длинных волн в каналах. Эти исследования, относящиеся к периоду 1933-1936 гг., послужили основой создания целого ряда прикладных методов расчета, сыгравших большую роль в практике строительства гидросооружений.

Теория фильтрационного движения грунтовых вод и близкая к этой проблеме теория подземного движения нефти далеко продвинулись вперед в работах советских ученых. Пользуясь методом комплексного переменного, еще в 1922 г. использованным акад. Н. Н. Павловским, большое число конкретных практических задач решили Б. Б. Девисон, П. Я. Кочина и др. Академик Л. С. Лейбензон создал теорию движения газов в пористых средах и разрешил ряд других вопросов, связанных с теорией и практикой нефтедобычи.

Теория движения вязкой жидкости за последние пятьдесят лет стала разрабатываться главным образом в направлении изучения движения жидкости в тонком «пограничном» слое, образующемся вблизи поверхности тела при практически интересных скоростях и размерах тел. По-видимому, Рэнкин первый ввел понятие о пограничном слое. В своей записке, относящейся к 1864г., Рэнкин в следующих словах выражает происхождение сопротивления фения: «Это сопротивление представляв г сочетание прямых и косвенных действий прилипания частиц воды к поверхности корабля, которую они обтекают; прилипание вместе с взаимной вязкостью частиц и производит бесчисленное множество мелких водоворотов в слое воды, непосредственно прилегающем к бортам судна».

Первое систематическое руководство по вопросу о сопротивлении жидкостей относится к 1880 г. и принадлежит нашему гениальному соотечественнику Д. И. Менделееву. В этой, уже ранее упоминавшейся монографии мы находим отчетливое разграничение трения жидкости о гладкие и шероховатые стенки. Говоря о сопротивлении трения гладких поверхностей, Д. И. Менделеев отмечает основную роль «прилипшего» к твердому телу слоя жидкости, который «движется и увлекает соседние».¹ [1]

Сопротивление же неровностей (шероховатостей!), - пишет Д.И.Менделеев, - того же рода, как и сопротивление нормально движущейся пластинки». Эти взгляды Менделеева вполне совпадают с современными воззрениями в теории сопротивлений.

Особенно следует отметить критический анализ Менделеева результатов экспериментальных определений сопротивлений жидкости с точки зрения точности измерений - вопрос, в котором Менделеев, основоположник метрологии, был непревзойденным специалистом.

Глубоко анализируя и критикуя «фрикционную» теорию сопротивления и, в частности, теорию Рэнкина, Д. И. Менделеев с предельной ясностью устанавливает энергетическую сторону явления, отсутствующую в весьма схематической и формальной теории Рэнкина.

Н. Е. Жуковский в 1890 г. в своей работе «О форме судов» дает первый пример учета влияния формы тела на сопротивление трения, а в своих более поздних лекциях отмечает основные свойства пограничного слоя. Однако ни Жуковский, ни его ближайшие ученики не занялись разработкой приближенных уравнений движения жидкости в пограничном слое, установленных Л. Прандтлем только в 1904 г.

Работы советских ученых в области теории ламинарного и турбулентного пограничного слоя, а также по общей теории турбулентности представляют исключительный интерес; работы Л.Е.Калихмана, Л. Г. Лойцянского, А. П. Мельникова и К. К. Федяевского по плоскому и пространственному, ламинарному и турбулентному пограничному слою в несжимаемой жидкости, относящиеся к периоду 1930-1945 гг., замечательные исследования А. А. Дородницына 1939-1940 гг. по теории пограничного слоя в сжимаемом газе, практические методы расчета турбулентных струй, указанные Г. Н. Абрамовичем, и другие результаты советских ученых оставили далеко позади зарубежные исследования в этой области. Все практические расчеты пограничного слоя, необходимые для определения профильного сопротивления крыла и фюзеляжа самолета, сопротивления корпуса корабля, потерь энергии в лопастных аппаратах турбомашин, также расчеты различных струйных механизмов (эжекторов и др.) ведутся у нас в Союзе по методам, принадлежащим советским ученым.

Современная теория турбулентного движения и ее многочисленные применения в гидравлике труб и каналов, динамической метеорологии, теории взвешивания и осаждения наносов, горения и перемешивания топлива в струях и во многих других практических вопросах техники составили предмет глубоких изысканий советских ученых. Останавливаясь лишь на главнейших принципиальных достижениях, заметим, что после классических работ Рейнольдса наиболее важную роль сыграли замечательные исследования А. А. Фридмана и Л. В. Келлера, выдвинувших в 1924 г. новый статистический метод изучения турбулентного потока.¹Идеи А. А. Фридмана и Л. В. Келлера послужили фундаментом для ряда теоретических исследований акад. А. Н. Колмогорова, Л. Г. Лойцянского, М. Д. Миллионщикова, А. М. Обухова и Л. И. Седова.[1]

Заключение

Наука о механике жидкости (в современном представлении этого понятия) зародилась в трудах Архимеда. Примерно к середине XIX в. данная наука получила значительное развитие, причем в этот период времени произошло разделение механики жидкости на два различных направления: «математическую механику жидкости» и «техническую механику жидкости».

Как отмечают (например, Г. Рауз и С. Инце в своей известной книге «История гидравлики»), математическая механика жидкости зародилась еще в трудах Л. Эйлера (в середине XVIII в.). Что касается технической механики жидкости (гидравлики), то это направление механики, как выше было сказано, начало развиваться главным образом в работах французских ученых-инженеров.¹ [1, С.18]

Важно подчеркнуть, что на рубеже начала XIX в. техническая механика жидкости начала в свою очередь расчленяться на отдельные направления (см. на рисунке стрелки B1, B2, В...). К таким отдельным направлениям можно отнести, например, инженерно-строительную (гидротехническую) гидравлику, гидромашинную гидравлику, судостроительную гидравлику, нефтяную и газовую гидравлику и т. п. Разумеется, теоретические основы этих отдельных гидравлик являются в значительной мере общими; вместе с тем чисто прикладные части таких курсов оказываются существенно различными.

Заметим, что вопрос о разделении механики (в частности, механики жидкости) на различные направления достаточно часто подчеркивается в литературе. Например, А. Н. Боголюбов пишет: «В результате современная механика разделилась на много направлений, которые сливаются, с одной стороны, с математической, с другой - с различными направлениями техники (такое промежуточное положение между чистой абстракцией и конкретной практикой было характерно для механики со времен ее зарождения)»

Разработка проблем гидравлики (технической механики жидкости), в частности, инженерно-строительного направления, всегда диктовалась необходимостью решения тех или других практических задач.

Отдельные, казалось бы, элементарные представления механики жидкости осваивались человечеством, иногда в течение весьма продолжительного времени (например, вопросы о вакууме и уравнения неразрывности движения жидкости, которые решались в течение тысячелетий).¹ [1, С.137]

По-видимому, некоторые положения гидромеханики на протяжении столетий повторно открывались и разрабатывались по нескольку раз.

Иногда, в конечном счете, отдельным ученым история приписывает то, что они не предлагали и «забывает» о том, что они сделали. Например, Фруд не предлагал «числа Фруда» и никогда им не пользовался (широко известно, что «число Фруда» было предложено Риичем).2 [2, С.134]

В начале XX в. ведущая роль в области технической механики жидкости (гидравлики) перешла от старой французской гидравлической школы к немецкой школе, которую возглавил ряд видных немецких ученых. Однако после революции 1917г. в связи с бурным развитием гидротехнического строительства в СССР был создан целый ряд научно-исследовательских институтов, разрабатывавших различные гидромеханические проблемы; было организовано также большое число втузов инженерно-строительного, в частности, гидротехнического профиля. Если в дореволюционное время в России почти отсутствовали печатные издания, посвященные гидравлическим и гидротехническим вопросам, то в послереволюционный период появилась обширная литература (журналы, труды институтов, монографии, руководства для проектирования и т. п.), освещающая самые различные стороны технической гидромеханики; при этом в скором времени по своему развитию и научным достижениям российская гидравлика выдвинулась на одно из первых мест в мире. [3, С.5]

Литература

1. Андерсон Д. Вычислительная гидромеханика и теплообмен [Текст] / Д. Андерсон, Дж. Таннехилл, Р.Плетчер : В 2-х т. Т1: Пер. с анг. - Мир, 1990.- 125 с.

2. Башта Т.М. Гидравлика [Текст] / Т.М Башта, М.:Машиностроение, 1971.-301 с.

3. Башта Т.М. Гидравлика и гидропривод[Текст] / Т.М Башта,М.:Машинострое

ние, 1972.-323с.

4. Волков Т.Н. Истоки и горизонты прогресса [Текст] / Т.Н. Волков - М., 1976.-296с.

5. Волосухин В.А., А.И. Тищенко. История инженерных искусств [Текст] / Учебное пособие для студентов. М., Новочеркасск, 2001.

6. Гавриленко Б.А. Гидравлический привод [Текст] / Б.А.Гавриленко , М. :Машиностроение, 1968.-198с.

7. Латышенков А.М., Лобачев В.Г. Гидравлика [Текст] / Латышенков А.М., Лобачев В.Г. - М.: Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре, 1956.-394с.

8. Лаэртский Д. О жизни, учениях и изречениях великих философов [Текст] / Д.Лаэртский.- М.,1973.-232с.

9. Лепешкин А.В., Михайлин А.А. Гидравлика и гидромашины [Текст] / А.В.Лепешкин, А.А.Михайлин. - М.: Машиностроение, 1998.-135с.

10. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа [Текст] /Л.Г.Лойцянский.-Л.: Гостехиздат, 1950.-237с.

11. Мелещенко Ю.С. Техника и закономерности её развития [Текст] / Ю.С.Мелещенко.- М., 1970г. - С.87

12. Повх И.Л. Техническая гидромеханика. Учебник для вузов. - Л.: Машиностроение, 1976.-345с.

13. Прозоров И.В., Николадзе И.В., Минаев А.В. Гидравлика, водоснабжение и канализация: Учеб. пособие для строит, спец. Вузов - М.: Высш. шк., 1990.-405с.

14. Хубка В.Н. Теория технических систем [Текст] / В.Н.Хубка.-М.,1987.-197с.

15. Чугаев Р.Р. Гидравлика [Текст] / Чугаев Р.Р, Учебник для ВУЗов, 4 изд., Л.: Энергоиздат, 1982.-398с.

16. Современная теория современного движения [Электронный ресурс].- Режим доступа:http://www.edu-support.ru/?statya=343, свободный.

17. Вернандский как историк науки [Электронный ресурс].-Режим доступа :http://www.naexamen.ru/doklady/v_i_vernadskij_kak_istorik_nauki, свободный.

18. Теория сопротивления [Электронный ресурс].-Режим доступа:http://lumenxp.narod.ru, свободный.

19. Техника и исторические этапы ее развития [Электронный ресурс].-Режим доступа:http://student.km.ru, свободный.

Размещено на Allbest.ru