Лойцянский Л. Г. - Механика жидкости и газа, страница 4

Трудно сейчас указать отрасль техники, развитие которой не находилось бы в теснейшей связи с разрешением задач движения жидкости или газа. Не говоря уже об авиации и кораблестроении, основные проблемы которых †пол, устойчивость и управляемость самолета, ходкость, остойчнвость и управляемость судна — неразрывно связаны с аэро-газодииамикой и гидродинамикой, а также смежных с авиацией отраслей техники, отметим особо важное значение гидроаэродинамики и газодинамики в турбостроении и, вообще, энергомашиностроении. Рабочее колесо гидротурбины, паровой и газовой турбин, компрессора или насоса представляет собою сложную конструкцию, состоящую из ряда профилированных лопаток, иногда имеющих тот же профиль, что и крыло самолета (компрессор, насос), иногда значительно отличающуюся от него по своей форме.

Прн вращении рабочего колеса его лопатки обтекаются с большими относительными скоростями водой, газом или паром. От правильного гидроаэродинамического расчета формы профилей и общей конструкции рабочих колес зависит получение достаточной мощности машины, высокого ее 17 келткий и п.!к нстокшпгского ~ х.шпгня козффнпнента полезного действия. Надо уметь также рассчитывать с гидроаэродинамической стороны и лопастные аппараты, направляющие водяной, воздушный или газовый поток на рабочие колеса, анализи- ровать и улучшать другие элементы проточной части турбомашины, от гнлроаэродинамического совершенства которых зависит ее высокое качество.

Гидротехника и гидрология все более и более сближаются с такими проблемами гидродинамики, как волновые н турбулентные движения гкидкости, а также фильтрационные движения волы в грунтах. 1!о- следняя проблема представляет фундаментальное значение для строи- тельства гидротехнических сооружений и техники добычи нефти. С вопросами это~о рода граничат задачи полземной газификации и по- лучения естественных газов из-под земли.

1!ередача газа на большие расстояния по трубам выдвигает также ряд интересных задач перед газовой динамикой, Весьма актуальные вопросы ставит перед гидроаэродинамикой хнми 1ескзя инлустрня, которую интересует интенсификация процессов турбулентного перемещивання газов, двигкущихся по трубач и в спе- циальных камерах, где производятся химические реакции. Металлургия выдвигает проблемы создания наиболее рациональных печей н лругнх металлургических агрегатов; движение горячих газов в этих агрегатах заслуживает серьезного внимания аэродинамиков.

:1вижение распла- вленного металла, температура которого, а следовательно, и вязкосгь быстро меняк1тся при растекании по формам, также нуждаются в гидро- липамическом расчете, так как однородность и чистота металла во многом зависят от его лвнжепня прн остыванни. Лналоги шах про- блема стоит перед производством оптического стекла и мшлимндру- ~ имн. Современная метеорология видит свой про шый научный фундамент в динамике атмосферы, изучающей турбулентное движение воздуха па поверхности Земли при пали ~ии разли шых физических факторов !солнечная радиация, испарение и др.).

К этим проблемам оказываются близки требования современной вентиляционной техники, озабоченной созданием наиболее гигиенических условий в промышленных предприятиях и жилищах. 5 3. Краткий очерк исторического развития механики жидкости и газа. От гидромеханики древних до установления воззрений ньютонианской эпохи История развитии механики жидкости и газа полностью подтвер'кдает известное материалистическое положение о глубокой взаимной связи между наукой и запросами прзктики, между научной теорией и бытием общества, условиями его материальной жизни.

Если античная механика твердого тела зародилась главным образом в связи с грандиозными строительными работами лревних и необходимыми для этих работ подсобными механизмами, го созданию первых 2 з«.жп.л г.лм««а. 18 ввьдяпив идей механики жидкости и газа способствовали, естественно, вопросы, возникающие при наблюдении и использовании движения твердых тел в воде н воздухе, т. е. в первую очерель вопросы судостроении, мореплавания и полета метательных снарядов, Основной гидроаэродинамической проблемой того времени явилось выяснение сущности взаимодействия между твердым телом и окружающей его средой — воздухом или водой †наприм, при полете или плавании тела. 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 коека, всякое движение поддерживается силой и прекращается после ее исчезновения), не позволили древним обнаружить основное гидроаэродинамическое явление — сопротивление воды и воздуха движущимся в них телам.

Наоборот, практика использования ветра для приведения в движение парусных кораблей, точно так же как и применение весел для той же цели в безветрие, наталкивали наблюдателя на мысль о движущей роли воздуха и воды. Не удивительно поэтому, что в известном трактате „Физика" великого античного философа Аристотеля (384 — 322 гг. до н. н. э.), где можно найти первые в истории науки следы аэродинамических идей, выска;пявается утверждение о пропульсивном, как мы сейчас говорим, т. е.

двигательном действии воздуха на метательный снаряд, По воззрениям того времени снаряд не мог двигаться сам, без непрерывного приложения к нему силы. Аристотель находит источник этой силы в действии на снаряд воздуха, смыкающегося за снарядом и толкающего его вперед. Вместе с тем Аристотель ничего не говорит о направленном против движения лействии воздуха на лобовую часть — сопротивлении снаряда. Пройдет много веков и Ньютон создаст теорию сопротивления, основанную на ударном действии частиц воздуха на лобовую часть обтекаемого тела, но при этом не будет учитывать указанную Аристотелем силу, действующую на кормовую часть тела, и только в середине ХИ!1 в.

Лаламбер соединит эти две силы и придет к поразившему в свое время умы парадоксу об отсутствии сопротивления в идеальной жидкости. В свете этого исторического факта можно правильно оценить глубину идей Аристотеля, как бы они ни казались нам в настоящее время односторонними и далекими от действительности. Общеизвестны заслуги Архимеда (287 — 212 гг.

до н. н. э.) как создателя теории равновесия жидкости и, в частности, плавания тел; знаменитый его закон и по настоящее время служит основой гидро- статики. Работы Архимеда послужили толчком к созданию ряда замечательных гидравлических аппаратов. Наиболее известны: поршневой насос Ктезибия, сифон Герона и мн. др.

к!'л'!кня о'!!гек истогического плавя!пя 1и Идеи Архимеда были возрожлены и продолжены Стевином т!1546 — 1620), Галилеем (1564 — 1642) и Паскалем 11623 — 1662). Стевин первый строго проформулировал известный в механике принцип загпвердевания, позволяющий в гидростатике применять обычные „риемы статики твердого тела. При пользовании этим принципом закон Архив!еда локазывается крайне просто.

Галилей и Паскаль использовали для решения задач гнлростатнки принцип возможных перемещений. Большое принципиальное значение для дальнейшего развития всей механики жидкости н газа сыграл известный закон Паскаля о независимости силы давления жидкости на расположенную внутри нее пло!цадку от ориентации этой площалки в данной точке покоящейся жидкости. Этот закон был в дальнейшем обобщен и на случай движения жидкости. Под сильным влиянием Аристотеля долгое время находился Леонардо да Винчи 11452 †15), первый установивший существование сопротивлении жилкой или газообразной среды движущемуся в ней телу.

Это сопротивление объяснялось им сжатием воздуха в лобовой части тела. Аналогичное объяснение лазал Л. да Винчи и происхождению полъемпой силы, поддерживающей птицу в возлухе, считая, что воздух, ся<имаясь под крылом, становится как бы твердым и создает опору лля крыла. Изучая полет птип, Леонардо ла Винчи правильно сформулировал два основных принципа их полета: машущий полет и парение 1планирование). Вопрос о сущности сопротивления среды и, особенно, выяснение количественных законов сопротивления представляли долгое время пепреололимые затруднения. Лаже основоположник экспериментальной механики Галилей 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 †16) на основании более точных опытов укачал более близкий к действительности 1для тел плохо обтекаемой формы) закон пропорциональности сопротивления квадрату скорости движущегося тела. Ньютон 11642 — 1727) в своих знаменитых „Началах' приводит теорети !еский 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 мз сопротивления, зависящего от инертности жидкости (это соответствует современному прелставлению о сопротивлении давления), и сопротивления, определяемого трением жидкости о поверхность обтекаемого тела 1ныне называемого сопротивлением трения); наряду с этими введвниг.