Механика жидкости и газа Лойцянский Л.Г. (1014098), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Прн этом теория учит, как ставить эксперимент, как проводить измереннв и, что особенно важно, как обобщать результаты отдельных экспериментов на целые классы явлений (теорин подобия гндроаэродииамнческих и тепловых явлений). В этом непрерьаном взаимодействии теории н эксперимента — необычайная мощь современной механики жидкости и газа, причина ее блестящего развития как науки, тесно связанной с практическими запросамн, с техникой. Трудно сейчас указать отрасль техники, развитие которой не находилось бы в теснейшей свззи с разрешением задач лвнжениа жидкости или газа. Не говора уже об авиации и кораблестроении, основные проблемы которых — полет, устойчивость н управляемость самолета, ходкость, остойчнвость и управляемость судна — неразрывно связаны с аэро-газодинамикой н гидродннамикой, а также смежных с авиацией отраслей техники, отметим особо важное значение гидроаэродинамики и газодинамики з турбостроении и, вообще, энергомашиностроении.
Рабочее колесо гидротурбины, паровой и газовой турбин, компрессора нли насоса представлзет собою сложную конструкцию, состоящую из ряда профилнроианных лопаток, иногда имеющих тот же профиль, что и крыло самолета (коипрессор, насос), иногда значительно отличающуюся от него по своей форме. При вращении рабочего колеса его лопатки обтекаются с большими относительными скоростямн водой, газом илн паром.
От правильного гвдроаэродинамического расчета формы профилей и общей конструкции рабочих колес зависит получение достаточной мощности машины, высокого ее хваткий очаги нстогнчгскш'о Рчзяюия коэффициента полезного действия. Наде~ уметь также рассчитыяать с гндроаэродинамической стороны и лопастные аппараты, направляющие водяной, зозлушный илн газовый поток на рабочие колеса, авализировать и улу икать другие элементы проточной части турбомашины, от гилроаэролинамического совершенства которых зависит ее высокое качество.
Гидротехника и гидрология ясе более и более сблюкяются с такими проблемами гидролинамикн, как яолнозые и турбулентные движения жидкости, а также фильтрапионные движения воды з грунтах. Последняя проблема представляет фундаментальное значение для строительства гидротехнических сооружений н техники добычи нефти.
С яопрасами этого рода граяичат задачи подземной гааификапни и получения естественных сазов из-под земли. Передача газа на большие расстоян~и по трубам зыдаигает также ряд интересных задач перед газовой динамикой. Весьма актуальные яолросы ставит перед гндроаэродинамикой химическая индустрия, которую интересует ингеиснфикация продессов турбулентного перемешивапия тазов, движущихся по трубам н з специальных камерах, где производятся химические реакции.
Металлургия выдвигает проблемы создания наиболее рациональных печей н лругих иешллургкческих агрегатоз; ляижение горячих газов н этих агрегатах ааслужияает серьезного внимания аэродниамякоа. движение расплаяленного металла, температура которого, а следояательно, н вязкость быстро меняются при растекании по формам, также нуждаются а гидродинаническом расчете, так как однородность н чистота металла яо многом зависят от его движения яри остываиии. Аналогичная проблема стоит перед произзодстзом оптического стекла и многими другиии. Созреиеинаи метеорология видит свой прочный научный фундамент в динамике атмосферы, изучающей турбулентное движение воздуха на поверхности Земли при наличии различных физических факторов (солнечная радиация, испарение и др.).
К этим проблемам оказываются близки требования современной вентиляционной техники, озабоченной созданием наиболее гигиенических условии а промышленных прелприятикх и жилищах. $ 3. Краткий очерк исторического развития механики жидкости и газа, От гидромеханики древних до установления воззрений ньютониаиской эпохи Истории развития механики жидкости и газа полностью подтверждает известное материзлнстическое положение о глубокой взаимной сзяан между Иаукой и запросами практики, между научной теорией и бытием общества, услояиями его материальной жизни. Если античная механика твердого тела аародилась главным образом а связи с грандиозными строительными работами древних и необходимыми для этих работ подсобнгаанчамгалхаманк, то созданию первых 2 зак. 1зп. л г- лчзвеякнь ввсдяния идей механики нидкости и газа способствовали, естественно, вопросы, возникающие при наблюдении и использовании лвижения твердых тел в воде и воздухе, т.
е. в первую очередь вопросы судостроения, мореплавания и полета метательных снарядов. Основной гндроаэродинамической проблемой того времени явилось выяснение сущности взаимодействия между твердым телом и окружающей его средой †воздух,'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 нх. 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 гидроаэродннайнческое 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 далжуглей роли воздуха и воды. Не удивительно поэтому, что в известном трактате „Физика" великого античного философа Аристотеля (384 †3 гг.
ло н. н. э.), где можно найти первые в истории науки следы аэродинамических идей, высказывается утверждение о пропульсивном, как мы сейчас говорим, т. е. лвигательном дейсгвии 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 дейсгвии на снаряд воздуха, смыкающегося за снарядом и толкающего его вперед. Вместе с тем Аристотель ничего не говорит о направленном против движения действн~ воздуха на лобовую часть — солрогливленли 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 ХЧ)И в.
Даламбер соединит эти две силы и придет к поразившему в свое время умы парадоксу об отсутствии сопротивления в идеальной жидкости. В свете этого исторического факта макно правильно оценить глубину идей Аристотеля, как бы они ни казались нам в настоящее время односторонними и далекими от действительности.
Общеизвестны заслуги Архимеда (237 — 212 гг. до н. н. э.) как создателя теории равновесия жнакости и, в частности, плавания тел; знаменитый его закон н по настоящее время служит основой гидро- статики. Работы Архимеда послужили толчком к созданию ряда замечательных гидравлических аппаратов. Наиболее известны: поргпневой насос Ктезнбия, сифон Герона и мн. др.
ю лткнй очаРк истоРнчаского Развития 19 Идеи Архимеда были возрождены и продолжены Стевином (1548 — 1620), Галилеем (1564 — 1642) и Паскалем (1623 — 1662). Стевин первый строго проформулировал известный в механике принцип вшпвердевинин, поаволяющий в гидростатике применять обычные приемы статики твердого тела.
Прн пользовании этим принципом закон Архимеда доказывается крайне просто. Галилей и Паскаль использовали для решения задач гидростатики принцип возможных перемеи1ениа. Большое принципиальное значение для дальнейшего развития всея механики жидкости и газа сыграл известный закон Паскаля о независимости силы давления жидкости на расположенную внутри нее площадку от ориентации этой площадки в данной точке покоящейся жидкости.
Этот закон был в дальнейшем обобщен и на случай движении жидкости. Под сильным влиянием Аристотеля долгое время находился Леонардо да Винчи (1452 †15), первый установивший существование сопротивления жидкой или газообразной среды движущемуся в нея телу.
Это сопротивление объяснялось им сжатием воздуха з лобовой части тела. Аналогичное объяснение давал Л. да Винчи н происхождению подьемной силы, поддерживающей птицу в воздухе, считая, что воздух, сжимаясь под крылом, становится как бы твердым н создает опору для крыла Изучая полет птиц, Леонардо да Винчи правильно сформулировал два основных принципа нх полета: машущий полет и парение (цланирование). Вопрос о сущности сопротивления среды и, особенно, выяснение количественных законов сопротивления представляли долгое время непреодолимые затруднения.
Даже 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 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 н 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
