Гидравлика

Определение гидравлики как науки и связь ее с другими дисциплинами. Краткая история развития гидравлики

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.

Гидростатика

Гидростатика — раздел физики сплошных сред, изучающий равновесие жидкостей, в частности, в поле тяжести.

Прежде всего, полезно сравнить гидростатику с теорией упругости, изучающей равновесие твёрдых тел. В отличие от твёрдого тела, жидкость не «держит» сдвиговые напряжения. Именно поэтому в жидкости не может существовать анизотропии напряжений, а значит вместо многокомпонентного тензора, напряжения в жидкости описываются единственной величиной — давлением. Отсюда вытекает закон Паскаля: давление, оказываемое на жидкость, передаётся жидкостью одинаково во всех направлениях.

Основной закон гидростатики для толщи жидкости — зависимость давления от глубины, который для несжимаемой жидкости в однородном поле тяжести имеет вид P = ρgh. Из этого закона следует равенство уровней в сообщающихся сосудах, а также закон Архимеда: на тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила F = ρgV, где ρ — плотность жидкости, а V — объём тела, погруженного в жидкость.

Наглядно представить себе закон Архимеда можно следующим образом. Замена тела помещенного в жидкость на саму эту жидкость ничего не изменит для окружающей тело жидкости. При этом жидкость-заменитель будет невесомой, поскольку она идентична остальной жидкости и иной вес означал бы движение вверх или вниз и возможность получения энергии из ничего. А поскольку жидкость-заменитель “на воздухе” весила бы как раз столько, сколько положено по закону Архимеда, ρgV, то именно этот вес тело, погружённое в жидкость, теряет.

Форма свободной поверхности жидкости определяется комбинацией внешних сил (прежде всего, сил тяготения) и сил поверхностного натяжения. Для больших масс жидкости силы тяготения преобладают, и свободная поверхность принимает форму эквипотенциальной поверхности, а при размерах порядка или меньше сантиметра определяющими являются капиллярные силы.

Гидродинамика

Гидродинамика — раздел физики сплошных сред, изучающий движение идеальных и реальных жидкости и газа. Как и в других разделах физики сплошных сред, прежде всего осуществляется переход от реальной среды, состоящей из большого числа отдельных атомов или молекул, к абстрактной сплошной, для которой и записываются уравнения движения.