Седов Л.И. Механика сплошной среды, Т. 1 (Л.И. Седов - Механика сплошной среды), страница 4

Я. Черкез, ко торым я выражазо свою искреннюю благодарность. Я также очень благодарен вложившей много труда Е. И. Сввшниковой и многим другим моим сотрудникам и ученикам, которые помогали мнв при составлении первого варианта ротзпринтного издания курса. Дополнительная литература по механике сплошной среды первчислена в конце 11 тома. Л. И. Седов Москва, декабрь 1968 года ГЛАВА ! ВВЕДЕНИЕ й 1. Предмет и методы механики сплошной среды Предмет механики оилош- Механика сплошной среды — обширная иой среды часть механики, посвященная движению газообразных, жидких и твердых деформируемых тел.

В теоретической механике изучаются движения материальной точки, дискретных систем материальных точек и абсолютно твердого тела. В механике сплошной среды с помощью и на основе методов и данных, развитых в теоретической механике, рассматриваются движения таких материальных тел, которые заполняют пространство непрерывно, сплошным образом, и расстояния мел«ду точками которых во время движения меняются. Помимо обычных материальных тел, подобных воде, воздуху или железу, в механике сплошной среды рассматриваются также особые среды — поля: электромагнитное поле, поле излучений, гравитационное поле (поле тяготения) и др.

Можно указать много разнообразных двил«ений жидкостей, гааов и твердых деформируемых тел, с которыми мы встречаемся при рассмотрении явлений природы и при решепии многочисленных технических задач. Многими движениями деформируемых тел мы можем управлять в необходимой степени, опираясь на повседневный элементарный личный опыт. Обыденные я<язвенные наблюдения создают у нас чувство реальности и «здравого смысла», которое часто позволяет верно предсказывать и создавать нужные нам механические аффекты. Однако в сложных случаях требуется особое накапливание и концентрация схематизированного опыта, требуются специальные методы теоретических и экспериментальных исследований.

Проведение подобных исследований привело к созданию и развитию механики сплошной среды как науки. Легко привести примеры, когда каждый из нас может сразу указать способ решения важнейших практических вопросов о движении деформируемых тел. Например, как перелить воду из одного сосуда в другой, как сохранить теплый воздух внутри помещения, как аащитить себя от ветра и дождя и т.

п. Вместе с тем существует множество других вопросов, на которые можно 10 Гл. 1. Взедввве дать ответы только на основании специальных знаний. Например, какова скорость вытекания газа из отверстия в баллоне, в котором газ находится в сжатом состоянии; как будет двигаться в атмосфере воздушный циклон; как можно снизить воздушное сопротивление самолета или водяное сопротивление корабля; как построить телевизионную металлическую башню высотой в 500 м, мост с пролетом между двумя ближайшими опорами более двух километров; что произойдет с увеличением или уменьшением диаметра воздушного винта на самолете; что можно сказать о распределении давлений и о движении воздуха при взрыве бомбы и т. д.

и т. п. Отметим сразу, что существует весьма много вопросов и задач, на которые мы еще не можем дать требуемого удовлетворительного ответа с помощью известных нам экспериментальных и теоретических методов. Решение новых сложных проблем, имеющих научное и практическое значение, и задач,' исследование которых подготовлено предшествующим развитием науки, составляет в настоящее время предмет научно-исследовательской работы. Примерами новых актуальных проблем являются: снижение сопротивления тел при движении в воде с большими, порядка 100 м/сея, скоростями; создание н удержание плазмы с температурой в миллионы градусов; выяснение особенностей поведения материалов при больших нагрузках и больших температурах (с учетом явлений пластичности, колзучестн и т. п.); определение сил, действующих на сооружения при взрывах; создание гиперззунового самолета для дальних пассажирских полетов; объяснение общей циркуляции воздуха в атмосфере; прогноз погоды; изучение механических процессов в растениях н живых организмах; проблемы эволюции звезд, явлений, происходящих на Солнце, и др.

Прогресс науки и техники в указанных направлениях тесно связан и определяется исследовательской работой, тем не менее в настоящее время, наряду с точными научными данными, в технике большую роль играет также развитый «здравый смысл», талант, интуиция и механическое «чутье» конструктора и инженера, которые можно развить в результате болыпого опыта. Не следует думать, что все строящиеся машины, самолеты, корабли и т. и. могут быть рассчитаны и заранее проанализированы во всех деталях. В настоящее время многое из творений техники делается так же, как викинги более тысячи лет тому назад строили корабли.

Тогда не существовало механики как науки даже в зачаточном состоянии, между тем викинги строили корабли, обладавшие хорошими мореходными качествами. Вместе с тем современная техника усложнилась настолько, что теперь в технике уже нельзя обходиться без науки, без ис. 1 1. Предмет и методы механики сплошной среды 11 пользования накопленного и систематизированного опыта. Так же как современное производство немыслимо без соответствующей механизации, так же и развитие техники сейчас немыслимо без опоры на созданную научную базу. Назовем некоторые наиболее существенро лемы механики сплошной среды ' ные разработанные проблемы механика сплошной среды.

Нроблема воздействия жидкости и газа на движущиеся в нпх тела. Силы, действующие со стороны жидкости на тело, определятотся движением жидкости, поэтому изучение движения тел в жидкости непосредственно связано с изучением движения жидкости. Особым стимулом развития этой проблемы послужили технические задачи о движении самолетов, вертолетов, дирижаблсп, снарядов, ракет, кораблей, подводных лодок; задачи о создании различных двигательных приспособлений— таких, как водяные и воздушные винты, и т.

д. и т. н. Движение жидкости и газа по трубам и вообще внутри различных машин. В этих вопросах основное значение имеют законы взаимодействия жидкости с границами потока и, в частности, величина сопротивления подвижных и неподвижных твердых стенок; явления неравномерности в распределении скоростей и т. п. Эти задачи имеют непосредственное значение для проектирования газопроводов, нефтепроводов, насосов, турбин и других гидравлических машин. Фильтрация — движение жидкости сквозь почву н другие пористые среды.

Например, в почве постоянно наблюдается движение воды, которое необходимо учитывать при постройке фундаментов различных сооружений (плотин, опор мостов, гидростанций), при создании подземных туннелей и т. д. и т. п. Большое значение фильтрация имеет в нефтяном деле.

Гпдростатика — равновесие жидкостей и тел, плавающих внутри и на поверхности жидкости; фигуры равновесия вращаютцихся масс жидкости под действием сил ньютонианского тяготения. Волновые движения. Распространение волн в твердых телах; волны на поверхности моря; волны, вызываемые движением корабля; распространение волн в каналах и реках; приливы; сейсмические процессы; звуковые колебания; общая проблема шума в разлпчных средах и т. п.

Окружающая нас среда (жидкости, газы, твердые тела и различные поля) постоянно находится в состоянии вибраций и различных распространян1щихся во времени и по объемам возмущенных движений. Непосред. огненно ясно, что эти явления играют очень важную роль в нашей жизни и существенны при решении многочисленных технических вопросов. $2 Гл. 1.

Введение Неустановившиеся движения газов с химическими превращениями при взрывах, детонации и горении, например в потоке воздуха, в цилиндрах поршневых машин или камерах реактивных двигателей и т. д. Защита твердых тел от сгорания и сильного оплавления при входе с большимн скоростями в плотные слои атмосферы. Теория турбулентных движений газов и жидкостей, представляющих собой в действительности очень сложные нерегулярные, случайного характера движения, пульсирующие около некоторых средних регулярных процессов, которые в рассматриваемых и ставящихся задачах существенны с практической точки зрения. Подавляющее число движений газов и жидкостей в звездах и космических облаках, в атмосфере Земли, в реках, каналах, в трубопроводах идругих разнообразных технических сооружениях и машинах имеет турбулентный характер.

Отсюда ясна огромная важность теории и экспериментов, посвященных изучению турбулентности. Исследования по турбулентности до настоящего времени еще никак нельзя считать достаточными для понимания многих особенностей и закономерностей в природе таких сложных движений. Проблемы описания движения очень сильно сжатых жидкостей н газов с учетом усложненных физических свойств различных сред в таких состояниях, особенно при наличии высоких температур. Существуют интересные и важные отрасли техники, в которых необходимо иметь дело с телами, подверженными большим давлениям (порядка многих тысяч и миллионов атмосфер), например прн искусственном изготовлении алмазов, при применении взрывов для штамповки деталей некоторых конструкций и в множестве других задач. С другой стороны, очень важны явления, происходящие в сильно разреженных газах.

Прн изучении различных процессов, связанных с движением сред при большом вакууме в лабораторных опытах, в космическом пространстве, в атмосферах планет и эвезд, также требуется применять методы механики сплошной среды. Проблемы магнитной гидродннамики и исследования движений нонизованных сред — плазмы с учетом их взаимодействий с электромагнитным полем в настоящее время приобретают первостепенное познавательное и техническое значение.

В частности, такие явления нужно изучать при создании магнитогидродинамнческих генераторов электрического тока, в которых происходит непосредственное превращение энергии движения плазмы в энергию электрического тока, Отметим также, что решение проблемы использования термоядерной энергии теснейшим образом связано с разрешением задач о поведении высокотемпературной плазмы в сильных магнитнь|х полях.