Никитин О.Ф. Гидравлика и гидропневмопривод DJVU (948287), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Ее основоположниками являются крупнейшие математики и механики ХУ!П в., члены Российской Л кадемии наук Михаил Васильевич Ломоносов (1711 — 1765), Даниил Иванович Бернулли (1?00 — 1782) и Леонард Павлович Эйлер (1707 †17). Научную базу современной гидравлики составляют общие законы физики, особенно теоретической механики, а также закон Ломоносова о сохранении материи и движения. Ломоносов в письме к Эйлеру в 1748 г. изложил принцип открьпого им всеобщего закона сохранения материи и энергии, а в 1760 г. в диссертации «Рассуждение о твердости и жидкости тел» сформулировал законы сохранения вещества и энергии. Он также выполнил ряд работ по механике газа (тяга в дымоходной трубе) и прикладным вопросам механики жидкости. В 1738 г.
в Страсбурге была издана книга основоположника инженерной гидравлики Д.И. Бернулли «Гидродинамика, или записки о силах и движении жидкости», где он описал уравнение, служащее основой теоретических построений и практических расчетов в области гидравлики. Бернулли, который впервые ввел термин «гидромеханика», установил общую связь между давлением, нивелирной высотой и скоростью движения жидкости, выразив зто как зависимость между удельными энергиями при движении жидкости (потенциальной и кинетической). В настоящее время эту зависимость называют уравнением Бернулли.
Кроме того, он исследовал задачу о давлении струи жидкости на пластинку. В основу важнейшего принципа гидравлики — принципа непрерывности Эйлера — положено представление о жидкости как о непрерывной среде (континууме), в которой происходит неограниченное деление ее материальных частичек. Согласно этому принципу, такие важные для гидравлических исследований величины, как плотность, давление, количество движения, кинетическая энергия и другие, можно описать функциональными зависимостями (дифференциальными уравнениями равновесия и движения идеальной жидкости), не имеющими в исследуемых объемах жидкости разрывов непрерывности.
В трактатс «Общие принципы 1н 9 Ч. 1 Гидраа ика движения жидкости» (1755) Эйлер представил вывод дифференциальных уравнений равновесия и движения идеальной жидкости и газа, указал некоторые интегралы этих уравнений и сформулировал закон сохранения массы применительно к жидкому телу, ввел понятие давления в точке объема жидкости, сформулировал закон изменения количества движения н момента количества движения жидких и газообразных сред, дал вывод уравнения оплошности потока жидкости (или постоянства расхода).
Он также исследовал некоторые вопросы движения тел в жидкости н полученные результаты применил к практическим задачам судостроения и конструирования гидравлических машин. Перечисленные теоретические работы положили начало бурному развитию гидравлики. Зародившаяся в глубокой древности гидравлика оформляется в самостоятельную науку лишь в начале мануфактурного периода капитализма. Это нашло отражение в ХУП1 и Х1Х вв. в работах многих ученых и инженеров европейских стран: Д. Полени (1685 — 1761) изучал истечение жидкости через отверстия и водосливы; А.
Пито (1695 †17) изобрел прибор для измерения скорости жидкости (трубка Пито); Ж. Борда (1733-1799), Г. Дарси (1803- 1858) и другие ученые получили эмпирические и полуэмпирические формулы для определения гидравлического сопротивления; А. Шези (1718 — 1798) изучал равномерное движение жидкости. Его формула для определения средней скорости жидкости и в настоящее время является основной при расчетах потоков жидкости; Д. Вентури (1746-1822) опубликовал работы, посвященные, главным образом, исследованиям истечения жидкости через отверстия и насадки (насадок Вентури, водомер Вентури); А. Навье (1785 — 1836) заложил основы учения о движении вязкой жидкости; Ж. Пуазейль (1799-1869), будучи врачом, заинтересовался гидродинамикой в связи с изучением движения крови по сосудам; установил эмпирическую формулу зависимости вязкости воды от температуры, опытным путем открыл закон ламинарного течения в круглой трубе; Ю.
Вейсбах (1806 — 1871) известен в основном работами в области сопротивления движению жидкости; Г. Хаген (1810 — 1869) установил два режима течения вязкой жидкости — ламинарный и турбулентный; !О Развитие гидравлики как науки А. Базен (1829-1897) исследовал равномерное движение и ис- ~ счсние жидкости через водосливы; Дж. Стоке (1819 — 1903) вывел уравнение движения вязкой жидкости и опубликовал ряд сто точных решений. В связи со сложностью явлений, происходящих в движущейся к<идкости, и невозможностью во многих случаях исследовать нх гсоретически в гидравлике широко используют эксперимент, базирующийся на методах подобия, — одно из наиболее эффективных средств исследования.
Основы теории подобия были созданы 11ьютоном и получили дальнейшее развитие в трудах Рейнольдса. Осборн Рейнольдс (1842 — 1912) установил принципы и критерии гидродииамического подобия (число Рейнольдса и др.), услония перехода от ламинарного течения к турбулентному. Результаты этих исследований, опубликованные в 1883 — 1885 гг., положили начало изучению турбулентного движения жидкостей.
Важный вклад в теорию подобия сделал русский ученый Виктор Львович Кирпичев (1845-1913). Он сформулировал и доказал новую теорему подобия, устанавливающую достаточные условия подобия явлений. Существенный шаг вперед в гидромеханике был сделан в сороковых годах Х1Х в. Опыт показал, что уравнения движения, составлснные Эйлером, не отражают всего комплекса снл, действующих в реальной жидкости при ее движении. В 1845 г. Стоке иа основании |акона Ньютона дополнил их членами, учитывающими силы вязкосги. Он также проннтегрировал уравнения движения жидкости в грубе круглого сечения и равномерного движения шара в неограниченной жидкости.
Сопоставление полученных решений с данными опытов показало, что результаты расчетов совпадают с опытными значениями только при весьма малых скоростях движения и малых диаметрах труб и шара, редко встречающихся на практике. Причину столь ограниченного диапазона соответствия решений Стокса с экспериментальными разъяснил Рейнольдс в 1883 г., поставив простые опыты, которые показали, что существуют два качественно различных режима течения потока жидкости: ламннарный н турбулентный.
Так, при ламинарном режиме траектории движения частиц жидкости, например в цилиндрической трубе, параллельны стенкам грубы. При турбулентном режиме течение жидкости становится неустойчивым, скорость и давление в любой точке потока, за исключением точек, расположенных вблизи самой стенки, непрерывно изменяются во времени. Уравнения усредненного движения 11 Ч. 1 Гидра«лика жидкости прн турбулентном режиме были выведены Рейнольдсом. В свое время мировую известность получили исследования турбулентности Ж.
Буссинеска (1897). Наибольших успехов в рамках модели идеальной жидкости достигли Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821 — 1894) и Густав Роберт Кирхгоф (1824-1887), разработавшие методы теории функций комплексной переменной. Следует отметить, что Гельмгольц создал основы теории струйных течений и в 1858 г. доказал важные теоремы о вихрях, но не разъяснил причин возникновения вихрей и их роли в потоке жидкости; его теоремы о вихрях имели только кинематический характер и не были связаны с динамикой потока.
Кирхгоф в 1859 г. разработал метод расчета сопротивления тел при отрывном обтекании их жидкостью, однако не указал условий, при которых возможно отрывное обтекание тел жидкостью. Таким образом, обе зти работы представляли в то время лишь теоретический интерес. Французский ученый Навье и английский ученый Стоке заложили основы учения о движении вязкой жидкости: полученное имн дифференциальное уравнение пространственного движения вязкой жидкости (названное уравнением Навье — Стокса) и сегодня широко используют для решения многих конкретных теоретических и практических задач во всех областях техники. Рейнольдс распространил уравнение Навье — Стокса на случай турбулентного движения, сформулировал условия перехода от ламинарного режима течения к турбулентному, объяснил явление кавитации, дал систему уравнений смазочного слоя. Мировую известность получили исследования турбулентности потока жидкости Т.
Кармана (1930), Д. Тейлора (1932), Л. Прандтля (1932) и других ученых. Исследования основоположников гидромеханики и их последователей Ж.Л. Лагранжа, Г. Стокса, русских ученых И.С. Громекн, С.А. Чаплыгина, Н.Е. Кочина носили в основном теоретический характер и ставили своей целью выявление общих закономерностей движения жидкости.
В 1791 г. в Петербурге русский ученый Алексей Калмыков опубликовал книгу по практической гидравлике «Карманная книжка для вычисления количества воды, протекающей через трубы, отверстия», которая стала первым справочником по гтщравлике. В 1836 г. было издано учебное пособие по гидраалике инженера, майора корпуса инженеров путей сообщения П.П. Мельникова «Основания практической гидравлики или о движении воды в различных случаях 12 Развитие гидразина как науки и действие се ударом и сопротивлением».
Ни в одной стране, кроме ийраиции, подобных ьпданий еще не существовало. В России создаются учебные, исследовательские и технические ~идравлические лаборатории: в 1855 г. — Н.М. Соколовым при Санкт-Петербургском институте путей сообщения; в 1902 г. 1!.Г. Есьманом при Санкт-Петербургском политехническом институ~с; в 1903 г. — А.И.
Астровым и И.И. Куколевским при Императорском Московском техническом училище гныне МГТУ им. Н.Э. Баумана). В 1880 г. Дмитрий Иванович Менделеев (1834 — 1907) в монографии «О сопротивлении жидкостей и воздухоплавании» дал схематическое изложение известных к тому времени работ в этих областях науки, показал влияние вязкости на сопротивление обтекаемого тела, а также установил, что в механизме гидродинамического сопротивления основное значение имеет пограничный слой жидкости, который увлекает за собой соседние. В ХХ в. работы Менделеева получили большое развитие. В 1881 г.
профессор Казанского университета Ипполит Степанович Громеко (1851 — 1889) опубликовал работу «Некоторые случаи движения несжимаемой жидкости», в которой дал новую форму уравнений движения жидкости, более глубоко раскрывающую взаимосвязь между кинематическими и динамическими элементами потока жидкости. Он рассматривал структуру потока жидкости как вихревую, в результате чего появились уравнения Громеко для вихревого течения жидкости. Толчком к широкому использованию минеральных масел в смазочных системах и в качестве рабочих жидкостей гидравлических машин послужила книга «Трение в машинах и влияние на пего смазывающей жидкости» Николая Павловича Петрова (1836— 1920), опубликованная в 1883-1885 гг. В ней Петров предъявил научному обществу разработанные им закон внутреннего трения жидкости и гидродинамическую теорию трения хорошо смазанных твердых тел.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
