Gidravlika

Гидравлика

Гидравлика - сұйықтың қозгалысы мен тепе-теңдік күйінің заңдылықтарын зерттейтін және оларды инженерлік практикада пайдаланудың төте әдістерін қарастыратын базалық ғылым.

Қазіргі кезде гидравлика мен гидромеханиканы бір-біріне тәуслсіз екі ғылым ретінде, немесе ол екеуін бір ғылымға балап жүрген жай бар. Бұл мәселе жөнінде мынаны айтуға болады. Тарихи жағынан алғанда, ұзақ уақыт ғалымдар сұйық ешқандай сығылмайды, тұтқырлығы жоқ (идеал сұйық) деп қарастырып, аналитикалық тәсілмен көптеген қарапайым заңдылықтарды ашқан. Ғылымның бұл саласын гидромеханика деп атаған. Әдетте, гидромеханикада сұйық қозғалысы деп газдың (ауаның), немесе тамшы құрайтын сұйықтардың да қозғалысын айта береді. Ал гидравликада тек тамшы құрайтын, тұтқырлы сұйықтарды қарастырады. Олай болса бірден мынадай сұрақ туады: газ бен тамшы құрайтын сұйықтардың қозғалу заңдылықгары бірдей ме? Иә, ондай ұксастық бар, ол газдың (ауаның) жылдамдығы секундына 70 метрге жеткенше ғана орын алады, одан әрі газдың сығылуын есепке алмай болмайды. Бірақ ол ұқсастықтардың өзін барлық жағдайда бірдей деп қарастыру жарамайды, өйткені гидравликада су мен ауаның шекарасы барлығын және оның әртүрлі құбылыстарға әрқилы әсер ететінін естен шығармау керек.

Гидравлика — қолданбалы ғылым ретінде гидротехникалық құрылымдарды, сумен қамтамасыз ететін қондырғыларды, гидро- машиналарды және т.б. су шаруашылығына қажетті жүйелерді қарапайым инженерлік тәсілдермен, эмпирикалық формулалармен жуықтап есептеуге бағышталған. Ал гидромеханика сұйық құбылыстары мен қозғалыстарының жалпы ерекшеліктерін физикалық және математикалық тәсілдермен дәлме-дәл анықтауға арналған. Бүл жолмен алынған формулалар, көбінесе, өте күрделі болып келеді де, оларды пайдалану көптеген қиындықтарды туғызады.

Болашақ инженер сұйықтың тыныштық күйінің, оның қарапайым қозғалыстарының теңдеулерін құра алуы және оны шеше білуі шарт. Сонымен қатар, сол алған білімін практикада, іс жүзінде пайдалана білуі тиіс. Дәл осы тұрғыдан қарағанда, гидравлика оқулығы екі бөлімнен тұруы керек. Бірінші бөлім - жалпы сұйық механикасы (гидростатика және гидродинамика негіздері), ал екіншісі - кәсіптік сұйық механикасы (сұйықтың техникалық механикасы).

Бірақ бұдан гидромеханика мен гидравлика қосылып кетті деген тұжырым тумауы тиіс. Бұл екі ғылымды етене жақындастырып тұрған гидростатика бөлімі. Өйткені ол өзінің ортақ мазмұнымен және оны оқушыға жеткізу тәсілімен екі аталған ғылымға да бірдей. Мұның себебі, сұйықтың тыныштық күйінде өзіне әсер етуші жанама күшке қарсылық көрсете алмайтын қасиетінде. Баска сөзбен айтқанда, шынайы сұйықтың идеал сұйықтан (теориялық моделінен) айырмасы жок. Ал сұйық қозғалыста болса, онда мәселе басқа. Кейде гидромеханиканы “теориялық гидромеханика”, ал гидравликаны - “инженерлік гидравлика” деп тәптіштейтін де жай бар. Гидравлика гылым ретінде әуелі судың бір өлшемді (құбыр немесе канал бойымен) қозғалыстарын қарастырады да, көлденең қимаға байланысты, ор- таша қысым, орташа жылдамдық, өтім деген ұғымдар қалыптастырады (гидромеханикада қысым, жылдамдық және т.б. атаулар, тек қана жеке нүктелерге қатысты қарастырылады). Бертін келе гидравлика екі өлшемді (бойы мен көлденеңі бойынша) құбылыстар мен қозғалыстарды да қамтыды.

Соңғы уақытта гидравликаға үш өлшемді (бойлық, көлденеңі және тереңдігі бойынша) құбылыстар мен қозғалыстар мықтап енуде.

Гидравлика саласындағы бірінші ғылыми еңбек біздің эрамыздан 250 жыл бұрын жазылған. Ол Архимедтің (б.э.д. 287-212ж.ж.) “Жүзіп жүрген денелер туралы” атты трактаты. Онда сұйыққа батырылған қатты денеге әсер етуші қысым күшін табатын заң жарияланған. Бұл заң осы күнге дейін Архимед жазған нұсқасынан ешбір өзгеріссіз қолданылып келеді.

Он бесінші ғасырда Леонардо Да Винчи (1452-1519) “Су қозғалысы және оны өлшеу туралы” шығарма жазып қалдырған, каналдар жобалаған, гидротехника саласында көптеген жұмыстар жасаған.

Орта ғасырлар аралығында, Рим империясы құлаған соң, ғылым да, соның ішінде сұйық механикасы да үлкен регреске (кері кетушілікке) ұшыраған. Қайта жандану кезінде, нидерландық инженер С.Стевин (1564-1642) гидравликалық кедергінің, сұйық тығыздығы көбейген сайын өсетіні және сұйық жылдамдығына тура пропорционал болатыны жайлы деректер қалдырды.Вакуум туралы келелі тұжырымдар жасады.

Он алтыншы - он жетінші ғасырларда гидравлика одан әрі дамыды: Б. Кастелли (1577-1644) сұйықтың тұтастық принципін ашты; Э.Торричелли (1608-1647) тесіктен шапшып шыққан су жылдамдығын есептеудің формуласын ұсынды және сынап манометрін ойлап тапты; Б. Паскаль (1628-1662) сұйық бетіне түсірілген қысымның сұйық ішіне таралу заңын тапты, сұйық ішіндегі нүктелік гидростатикалық қысымның барлық жағына өзгеріссіз әсер ететінін көрсетті және вакуум туралы ұғымды жетілдірді, жер бетінің биіктігі жоғарылаған сайын атмосфералық қысымның азаятындығын көрсетті.

И. Ньютон (1643-1727) өзінің әйгілі “ Математикалық бастамала- рында...” сұйық қабаттарының өзара үйкелісі туралы және сұйық кедергісінің қозғалып бара жатқан дене жылдамдығының квадра тына тура пропорционалдығы туралы батыл болжам жасады.

Сұйық заңдылықтарының ашылу тарихы өте бай, күрделі және сонысымен де қызық. Мысалы, вакуум туралы тұжырым сонау Аристотельден басталып күні бүгінге дейін созылуда (Әл-Фараби (870 -950), Г.Галилей (1564-1642), Б.Паскаль (1623-1662), О.Герике (1602-1686), В.И.Вернадский (1962-1945) және т.б.).

Дегенмен сұйық механикасы үлкен жетістіктерге тек он сегізінші ғасырда ғана жетіп, ғылым ретінде айқын қалыптасты. Оның негізін қалаушылар Д. Бернулли (1700-1782) мен Л.Эйлер (1707-1783). Академик Д.Бернулли өзінің “Гидродинамика” деген аты шулы шығармасында (1738) сұйық энергиясының сақталу заңын негіздеген.

Бүгінгі гидравликада бұл заңның орны ерекше. Ғылымда Бернулли есіміне байланысты көптеген ұғымдар белгілі: Бернулли теңдеуі, Бернулли интегралы, Бернулли спиралі және т.б.

Л.Эйлер сұйық қозғалысының және оның тыныштық күйінің дифференциалдық теңдеулерін тапты. Насостар мен турбиналардың негізгі теңдеуін қортып шығарды. Сұйық механикасын бірінші бо- лып осы күнгі жүйеге келтірді. М.В.Ломоносов масса мен қозғалыстың сақталу заңын ашты. Усть-Рудицеде бірінші болып гидравликалық зертхана ұйымдастырды.

Жалпы сұйық механикасының дамуына Ж.Даламбер (1717- 1783), Ж.Лагранж (1736-1813), П.Лаплас (1749-1827) сүбелі үлестерін қосты.

Он сегізінші ғасыр гидравликаны техникалық ғылым ретінде қалыптастырды. Оған себеп техниканың қарқындап өсуі, көптеген гидравликалық есептерді қарапайым жолмен шешу әдістерінің қажеттілігі болды. Бүл бағытта А.Пито (1695-1771), А.Шези (1718- 1798), Ж.Борда (1733-1799), П.Дюбуа (1734-1809), Д.Вентури (1746- 1822), Р.Маннинг (1816-1897), Ф.Форхгеймер (1852-1933) және басқалар көп күш жұмсады. Олардың еңбектері оқулықта тиісті жерінде келтірілген.

Он тоғызыншы ғасыр зерттелінген мәселелердің ауқымдылығымен ерекшеленеді. Ашық арнадағы су қозғалысының теориясын Ж.Беланже (1789-1874), Г.Кориолис (1792-1848), А.Сен- Венан (1797-1886), Ж.Буссинеск (1842-1929) жетілдірді.

Гидравликалық шапшыма құбылысын зерттеуде А.Бидоне (1781- 1839), Ж.Беланже, Ж.Бресс (1822-1883), Ж.Буссинеск көп күш жұмсады. Гидравликалық кедергілер Ш.Кулон (1736-1806), Г.Хаген (1797-1884), А.Сен-Венан, Ж.Пуазейль (1799-1869), А.Дарси (1805- 1858), Ю.Вейсбах (1806-1871), Ж.Буссинеск, П.Блазиус

еңбектерінің арқасында өзінше сала болып қалыптасты. Сұйық қозғалысының әртүрлі ерекшеліктерін Э.Хаген, О.Рейнольдс (1842- 1912), А.Сен-Венан, Ж.Буссинеск, О.Коши (1789-1857), Л.Навье (1785-1836), Дж.Стокс (1819-1908), У.Фруд (1810-1879), Г.Гельмголыц (1821-1894) зерттеді. Жер асты суларының қозғалыс заңдылықтарын А.Дарси, Ж.Дюпюи, Ж.Буссинеск ашты. Толқындар теориясын Ф.И.Герстнер (1756-1832), А.Сен-Венан, Ри- ич, У.Фруд, Дж.Стокс, Г.Гельмгольц, А.Базен (1829-1917), Ж.Буссинеск қалыптастырды. Суағарларды, тесіктерден өткен ақпаны А.Беланже, Г.Киргхоф (1824-1887), А.Базен, Л.Вентури, Ж.Борда, Ж.Буссинеск, Ю.Вейсбах зерттеді. Тасындысы бар ағындармен Л.Фарг (1827-1910), А. Дюпюи (1804-1866), Ж.Буссинеск, М.А.Великанов (1879-1964) айналысқан.

Россияда гидравликаны техникалық ғылым ретінде қалыптастыру М.В.Ломоносовтан (1711-1765) басталған, ол солтүстік теңіздердегі мұз тауларының пайда болуы, теңіз түбіндегі және мұз астындагы жылулықты табу, сұйық және қатты денелер туралы келелі ойлар ұсынған, қозғалыстың сақталу заңын ашқан.

П.П. Мельников (1804-1880) “Практикалық гидравлика негіздері...” (1855) деген курс жариялады, гидравликалық зертхана ұйымдастырды.

Н.П.Петров (1836-1920) Ньютонның сұйық қабаттары арасындағы ішкі үйкеліс шамасын анықтайтын заңдарына сүйене отырып, оның математикалық өрнегін ұсынды және майланған механизмдердегі үйкеліс заңын тапты. Бұл салада ғалым М.В.Коровчинский де үлкен табыстарға жетті. Н.Е.Жуковский (1847-1921) су жүретін құбырлардағы гидравликалық соққы теориясының негізін қалады, ескек винттің құйындық теориясын жасады, каналдарда тасындының жиналуы, жер асты суларының қозгалысы, бөгеттердегі фильтрация туралы кесек-кесек туындылар жазды. Н.Е.Жуковский Түркістанды суландыру жүйесін жобалай- тын арнайы топқа консультант болған. Топты Н.Н.Павловский (1886-1937) басқарган. Фильтрация саласыңда Н.Н.Павловский, П.Я.Кочина, Л.С.Лейбензон (1879-1951) С.Н.Нумеров,

П.Ф.Фильчаков, Р.Р.Чугаев және т.б. ерен еңбек сіңірді.

И.С.Громека (1851-1889) винттік ағынның және капиллярлық құбылыстардың теориясын жасады. Винттік ағындарды зерттеуде ғалым қисық сызықты ортогональді координаталар жүйесін пайдала- нып есептер шығарудың неше түрлі тәсілдерін көрсетті. Сұйықтың винттік және бұралып ағатын саласында Г.Ламб (1849-1934), Н.Е.Жуковский, А.А.Саткевич, Е.Бельтрами (1835-1900), А.Я.Милович, В.Тркал, Л.Лекорню, Н.Е.Кочин (11901-1944), Б.А.Пышкин, С.С.Бюшгенс, В.А.Стеклов (1863-1926), О.Ф.Васильев, М.А.Гольдштик, Н.И.Алексеев, А.И.Арықова, А.Гупта, Д.Лилли, Н.Сайред, Ә.Ә.Әбдіраманов, А.А.Халатов, Б.А.Животовский, А.Л.Зуйков т.б. жемісті еңбек етті. Соңғы кезде бұл саладағы жетістіктер гидравликалық оқулықтарға кеңінен енуде.

Тағы бір айта кететін мәселе - сұйық қозғалысының тұрбуленттігі. Бұл салада О.Рейнольдс, Ж.Буссинеск, Л.Прандтль (1875-1953), Дж.Тейлор (1886-1975), Т.Карман (1881-1963), Г.Шлихтинг, А.А.Фидман, М.А.Великанов, А.Н.Колмогоров (1903- 1980), А.М.Обухов, А.С.Монин, А.М.Яглом, Л.И.Седов, М.Д.Миллионщиков, Л.Г.Лойцянский, В.М.Лятхер, Б.П.Устименко үлкен жетістіктерге жетті.

Кеңес өкіметі тұсында (1917-1991) Б.А.Бахметев (1880-1951), Н.Н.Павловский, И.И.Агроскин, И.И.Леви, В.М.Маккавеев, М.Д.Чертоусов, М.С.Вызго, А.Я.Милович, Р.Р.Чугаев, А.Д.Альтшуль, П.Г.Киселев, М.А.Великанов, В.Н.Гончаров, К.В.Гришанин, Г.В.Железняков, Ю.А.Ибад-Заде т.б. ғалымдар гидравликаның сан саласының дамуына көп еңбек сіңірді.

Сұйық механикасының аса күрделі мәсслелерін шешуде М.В.Келдыш, М.А.Лаврентьев, Л.И.Седов, С.А.Христианович терең ойлы үлгі кәрсетті.

М.В.Келдыш, Жуковский Н.Е. жасаған ескек винттің теориясын жетілдірді. М.А.Лаврентьев және Л.И.Седов пластинканың су бетіне соқтыгысуы, су астындағы қанаттың қозғалысы туралы құнды нәтижелер алды.

М.А.Лаврентьев ақпа проблемасын кеңінен зерттеді, кумулятивтік ақпа, султан проблемасын, сұйықтың айңалмалы қозғалыстағы кейбір парадокстарын, сұйықтағы құйын сырларын, тұтқырлық әсерінен болатын құбылыстарды бірінші болып алға тартты. Бүл мәселелердің практикалық маңызы өте зор.

С.А.Христианович жер асты сулары мен газ араласқан сұйықтардың, мұнайдың қозғалысын зерттеді, электорды есептеудің жаңа тәсілін ұсынды, қалыптаспаған сұйық қозғалысының теңдеуін интегралдаудың жаңа әдісін ойлап тапты.

Гидравликаның аса бір ірі саласы - әртүрлі кұрылымдарда, қондырғыларда болатын құбылыстарды, сұйық козғалыстарын лабораториялық жағдайда модельдеу және оның қорытындысын инженерлік практикада пайдалану. Бұл салада М.В.Кирпичев, А.А.Гухман, Л.И.Седов, А.Б.Резняков, С.В.Избаш, А.П.Зегжда, А.Г.Аверкиев, И.И.Леви, В.М.Лятхер, А.М.Прудовский т.б. үлкен табыстарға ие болды.

Гидравликаның саласы көп. Әр саланың өз алдына проблемала- ры баршылық; гидромашиналар гидравликасы (Г.И.Кривченко, Т.М.Башта, В.Я.Карелин, А.ДЛерник,Г.Ф.Проскура, С.С.Руднев; М.М.Флоринский, А.П.Юфин, В.П.Чебаевский, Ә.Ә.Әбдіраманов және т.б.); өзендер мен каналдар гидравликасы (Б.А.Бахметев, Н.Н.Павловский, А.Н.Рахманов, В.Д.Журин, И.ИАгроскин, Р.Р.Чугаев, В.И.Чарномский, О.Ф.Васильев, И.А.Шеренков, Д.В.Штеренлихт, В.С.Алтунин, А.Ә.Тұрсынов және басқалар); гидротехникалық құрылымдар гидравликасы (С.М.Слисский, А.А.Угинчус, В.М.Лятхер, Т.Х.Ахмедов және т.б.); толқындар гидравликасы (А.Сен-Венан, Л.Н.Сретенский, О.Ф.Васильев, В.М.Лятхер, Д.Д.Стокер, М.П.Кожевников, Р.И.Вагапов және т.б.) қарқынды дамуда. Гидравлика салалары туралы жазылған кітаптар мен мақалалар саны едәуір, ал шешілмеген мәселелер саны одан неше есе көп.

Тәуелсіз Мемлекеттер Достастығында гидравликамен көптеген институттар айналысады. Олар: Санкт-Петербургтегі Б.Е.Веденеев атындағы гидротехникалық ғылыми-зерттеу институты, Мәскеу мемлекеттік табиғат үйлестіру университеті, А.Н.Костяков атындағы гидротехника және мелиорация ғылыми-зерттеу институ- ты, С.Я.Жук атындағы су құрылыстарын жобалау институтының ғылыми-зерттеу секторы, В.Д.Журин атындағы Ортаазиялық ирригациялық ғылыми-зерттеу институты, Грузиядағы гидротехни- ка және мелиорациялық, сондай-ақ гидроэнергетика және гидротехникалық құрылымдар ғылыми-зерттеу институттары; Санкт-Петербургтегі техникалық университет, Мәскеудегі инженерлік-құрылыс академиясы, Новочеркасскідегі инженерлік- мелиоративтік академия.

Қазақстанда гидравлика проблемаларымен Ш.Чокин атындағы Қазақтың энергетикалық ғылыми-зерттеу институты, М.Х.Дулати атындағы Тараз мемлекеттік университеті, Қазақтың су шаруашылығы ғылыми-зерттеу институты, тағы басқа мекемелер айналысады. Ғылымның бұл саласын дамытуда Р.Ж.Жолаевтың, Ә.И.Арықованың және Т.Х.Ахмедовтың еңбегін арнайы атап өткен жөн. А.Ә.Тұрсынов, Ә.Ә.Әбдіраманов, Т.К.Карлыханов, Р.И.Вагапов, А.И.Квасов, Б.Белгібаев және басқа ғалымдар өз үлестерін қосуда.

Гидравликаның соңғы жетістіктері туралы жоғарыда аты аталған институттардан шығып түратын ғылыми жинақтар мен Киевтен шығатын “Гидротехника және гидравлика”, “Гидромеханика”, Мәскеуден шығатын “Сүйық пен газ механикасы”, “Мелиорация және су шаруашылығы”,: “Гидротехникалық құрылыс”, “Су ресур- стары” журналдары арқылы танысып отыруға болады. Ғылымның өзекті мәселелері әртүрлі дәрежедегі конференцияларда, съездерде, конгрестерде талқыланып отырады. Гидравликалық зерттеулер бойынша Халықаралық (дүниежүзілік) Ассоциация жұмыс істейді. Ол өзінің жүмысын әр екі жылда бір рет өтетін конгресс арқылы қорытындылап отырады.