История развития гидравлики

1.1. Краткая история развития гидравлики

Исторически гидравлика является одной из самых древних наук в мире. Археологические исследования показывают, что еще за 5000 лет до нашей эры в Китае, а затем в других странах древнего мира найдены описания устройства различных гидравлических сооружений, представленные в виде рисунков (первых чертежей). Естественно, что никаких расчетов этих сооружений не производилось, и все они были построены на основании практических навыков и правил.

Первые указания о научном подходе к решению гидравлических задач относятся к 250 году до н.э., когда Архимедом был открыт закон о равновесии тела, погруженного в жидкость. Потом на протяжении 1500 лет особых изменений гидравлика не получала. Наука в то время почти совсем не развивалась, образовался своего рода застой. И только в XVI-XVII веках нашей эры в эпоху Возрождения, или как говорят историки Ренессанса, появились работы Галилея, Леонардо да Винчи, Паскаля, Ньютона, которые положили серьезное основание для дальнейшего совершенствования гидравлики как науки.

Однако только основополагающие работы академиков Петербургской академии наук Даниила Бернулли и Леонарда Эйлера живших в XVIII веке, создали прочный фундамент, на котором основывается современная гидравлика. В XIX-XX веках существенный вклад в гидродинамику внес "отец русской авиации" Николай Егорович Жуковский.

Роль гидравлики в современном машиностроении трудно переоценить. Любой автомобиль, летательный аппарат, морское судно не обходится без применения гидравлических систем. Добавим сюда строительство плотин, дамб, трубопроводов, каналов, водосливов. На производстве просто не обойтись без гидравлических прессов, способных развивать колоссальные усилия. А вот интересный факт из истории строительства Эйфелевой башни. Перед тем как окончательно установить многотонную металлоконструкцию башни на бетонные основания, ей придали строгое вертикальное положение с помощью четырех гидравлических прессов, установленных под каждую опору.

Гидравлика преследует человека повсюду: на работе, дома, на даче, в транспорте. Сама природа подсказала человеку устройство гидравлических систем. Сердце - насос, печень - фильтр, почки - предохранительные клапаны, кровеносные сосуды - трубопроводы, общая длина которых в человеческом организме около 100 000 км. Наше сердце перекачивает за сутки 60 тонн крови (это целая железнодорожная цистерна!).



Некоторые принципы гидростатики были установлены ещё Архимедом, возникновение гидродинамики также относится к античному периоду, однако формирование Г. как науки начинается с середины 15 в., когда Леонардо да Винчи лабораторными опытами положил начало экспериментальному методу в Г. в 16—17 вв. 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 18 в. Д. Бернулли и Л. Эйлерразработали общие уравнения движения идеальной жидкости, послужившие основой для дальнейшего развития гидромеханики и Г. 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 18 в. 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 Г. обогатилась значительным числом эмпирических формул. Создававшаяся т. о. практическая Г. всё более отдалялась от теоретической гидродинамики. Сближение между ними наметилось лишь к концу 19 в. 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 Г. наибольшее значение имели работы о гидравлическом ударе и о движении грунтовых вод. В 20 в. быстрый рост гидротехники, теплоэнергетики, гидромашиностроения, а также авиационной техникипривёл к интенсивному развитию Г., которое характеризуется синтезом теоретических и экспериментальных методов. Большой вклад в развитие Г. сделан сов. учёными (работы Н. Н. Павловского, Л. С. Лейбензона, 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 Г. 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 Г. 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 обобщенных закономерностей. Г. постепенно превращается в один из прикладных разделов общей науки о движении жидкостей — механики жидкости.

Гидравлика – наука, изучающая законы равновесия и механического движения жидкости и разрабатывающая методы применения этих законов для решения задач инженерной практики.

Гидравлика, как механика жидкости, подразделяется на гидростатику, в которой изучаются законы равновесия жидкости, кинематику жидкости, изучающую связи между геометрическими характеристиками движения и временем (скорости и ускорения), и гидродинамику, изучающую движение с учетом действующих сил.

Слово “гидравлика” греческого происхождения  – hydōr (вода) и aulos (труба), что значит – течение воды по трубам. В настоящее время вопросы, изучаемые в гидравлике, охватывают движение воды не только по трубам, но и в открытых руслах (каналах, реках), в различных водопроводных, водоотводных (канализационных) и гидротехнических сооружениях, движение грунтовых вод, а также движение других жидкостей (нефть, масла, различные растворы и т. п.) в трубопроводах и сооружениях.

Гидравлика, рассматривая законы равновесия и движения жидкости, опирается на такие науки, как высшая математика, физика, теоретическая механика и начертательная геометрия. В свою очередь, гидравлика служит базой для гидравлических расчетов в курсах “Насосные и воздуходувные станции”, “Гидрология, гидрометрия и гидротехнические сооружения”, “Водоснабжение”, “Водоснабжение промышленных предприятий”, “Водоотведение и очистка сточных вод”, “Водоотводящие системы промышленных предприятий”, “Санитарно-техническое оборудование зданий”, “Автоматизация сооружений водоснабжения и водоотведения”, “Отопление и вентиляция”, “Эксплуатация сооружений водоснабжения и водоотведения”, а также в курсовом и дипломном проектировании.

Развитие гидравлики как науки тесно связано с использованием человеком такого элемента природы, как вода. Вода с древних времен использовалась не только для питьевого водоснабжения, но и для орошения полей и приведения в движение простейших механизмов. Реки и каналы служили водными путями для судов и лодок, естественными и искусственными преградами, защищавшими от нападения врагов. Следы древнейших цивилизаций обнаруживаются на берегах рек Тигра и Евфрата в Месопотамии, Инда в Индии, Нила в Египте, Хуанхе в Китае, в Закавказье и в Средней Азии. В этих местах еще за 4000-1000 лет до н. э. стоились оросительные системы на полях, плотины и мельницы на реках. В Риме за 6 веков до н. э. был построен водопровод, остатки которого сохранились и поныне. А более тысячи лет назад в Средней Азии была построена Шахрудская оросительная система, действующая и в настоящее время. В России в XVII в. была построена Вышневолоцкая водная система, которая через реки Волхов, Ильмень, Мсту, Цну, Тверцу и Волгу с помощью каналов и шлюзов соединила Балтийское море с Каспийским. Эти примеры свидетельствуют о том, что человечество обладало достаточно высокой для того времени техникой и определенными знаниями в практической гидравлике для решения соответствующих технических задач.

Первой, известной нам, научной работой в области гидравлики явилось сочинение Архимеда “О плавающих телах”, написанное за 250 лет до н. э. В дальнейшем, в эпоху феодализма, не было каких-либо значительных гидравлических исследований, хотя практически водное строительство продолжало развиваться.