3. История развития гидравлики и гидромеханики

   1. Определение науки “Гидравлика” и краткая история ее развития

Гидравлика — одна из ветвей механики, прикладная наука, изучающая законы равновесия и движения жидкости, и рассматривающая приложение этих законов к решению конкретных инженерных задач.

Гидравлика делится на две части: гидростатику и гидродинамику. Гидростатика изучает законы равновесия жидкостей, гидродинамика — законы движения жидкостей.

Практическое значение гидравлики весьма велико, так как она представляет собой основу для инженерных расчетов во многих областях техники и является базой для ряда специальных дисциплин: гидротехники, гидравлических машин (насосы и турбины), водоснабжения и канализации, осушения и орошения, водного транспорта; расчеты водопроводов и водостоков, определение отверстий мостов и плотин, расчеты водяного отопления, использование подземных вод или, наоборот, борьба с ними, и многие другие вопросы для правильного решения их требуют основательного знания гидравлики.

Еще в глубокой древности, задолго до нашей эры, с первых шагов своего исторического развития, человек был вынужден практически заниматься решением различных гидравлических вопросов. Об этом говорят результаты археологических исследований и наблюдений, которые показывают, что еще за 5000 лет до нашей эры в Китае, а затем и в некоторых других странах древнего мира уже существовали оросительные каналы и были известны некоторые простейшие устройства для подъема воды. Во многих местах сохранились также остатки водонапорных и гидротехнических сооружений (водоводы, плотины, акведуки), свидетельствующие о весьма высоком уровне строительного искусства в древнем мире. Однако никаких сведений о гидравлических расчетах этих сооружений не имеется, и надо полагать, что все они были построены на основании чисто практических навыков и правил.

Первые представления о гидравлике появились еще у древних народов Египта, Китая, Вавилонии, Ассирии, Греции, Рима, а также у народов, живших на территориях, входящих в состав бывшего СССР. Строительство кораблей, каналов для орошения полей, водопроводов и других гидротехнических сооружений способствовало накоплению знаний о равновесии и движении жидкостей. В третьем веке до нашего летосчисления появился трактат Архимеда “О плавающих телах”, содержащий его известный закон (закон Архимеда).

В период средневековья гидравлика как наука не развивалась. Это было вполне закономерно, так как эпоха феодализма с ее натуральным хозяйством и отсутствием развитой промышленности не ставила перед гидравликой никаких задач, требующих разрешения.

Только с зарождением капитализма появилась необходимость в развитии гидравлики. Рост торговли требовал постройки судоходных каналов. Сильно увеличивалось население городов, что заставляло по-новому подходить к вопросам водоснабжения и канализации. Все это способствовало развитию гидравлики быстрыми темпами.

Более поздние исследования о поведении жидкости в состоянии покоя и движения связаны с именами выдающихся физиков, механиков, математиков средневековья и эпохи Возрождения. Среди них следует назвать Леонардо да Винчи. Его труд “О движении воды в речных сооружениях” и другие работы были посвящены вопросам гидростатики, истечения жидкости через отверстия и водосливы, волновым явлениям. Леонардо да Винчи был автором целого ряда проектов гидравлических устройств и гидротехнических сооружений.

В 1586 г. Симон Стевин опубликовал книгу “Начала гидростатики”, в которой дал правила определения силы давления на дно и стенки сосудов. Большой вклад в развитие гидравлики внес Галилео Галилей. Занимаясь сопротивлением движению жидкости, этим важным вопросом для решения задач гидравлики, он показал, что это сопротивление зависит от скорости и плотности жидкости. В 1612 году он опубликовал трактат на тему “Рассуждение о телах, пребывающих в воде, и о тех, которые в ней движутся”. В 1643 году ученик Галилея Торричелли впервые исследовал движение жидкости и установил закон вытекания жидкости через отверстия в сосуде. В 1650 году французский ученый Блез Паскаль опубликовал закон о передаче внешнего давления в жидкости (известный закон Паскаля). Сформулировавший основные законы классической механики И. Ньютон в 1687 году предложил законы внутреннего трения в движущейся вязкой жидкости. Позже эти сведения получили развитие в теории смазки Н. П. Петрова (1836— 1920).

Основы гидравлики как науки заложили члены Петербургской Академии наук Михаил Васильевич Ломоносов, Даниил Иванович Бернулли и Леонард Павлович Эйлер. В 1738 г. была опубликована книга Д. И. Бернулли “Гидродинамика”. В 1748 г. в письме к Л. П. Эйлеру М. В. Ломоносов впервые изложил открытый им закон сохранения энергии. В 1755 г. Л. П. Эйлер дал дифференциальные уравнения равновесия и движения жидкостей.

Д. Бернулли и Л. Эйлер разработали фундаментальные уравнения гидравлики и обобщили известные до этого сведения по отдельным ее разделам. Д. Бернулли, в частности, получил из закона живых сил одно из основных уравнений гидравлики, названное его именем. Л. Эйлер вывел дифференциальные уравнения движения идеальной жидкости, получил решение ряда задач гидравлики. К концу XVIII века в области гидравлики был накоплен значительный объем знаний. Это достигнуто трудами целой плеяды известных ученых: Ж. Д. Д' Аламбера, Ж. Л. Лагранжа, П. С. Лапласа и др. Имена многих из них увековечены в названиях законов, зависимостей, устройств. Однако теоретические разработки того периода не могли дать ответ на все растущие запросы промышленности и строительства. Это привело к появлению многих приближенных рекомендаций на базе экспериментальных исследований. Ведущая роль в этот период принадлежала французской школе.

Бypнoe развитие транспортных связей предопределило приоритет гидротехников и мостостроителей в решении задач гидравлики, например А. Шези – автора метода моделирования потоков.

В 1883 г. Николай Павлович Петров разработал гидродинамическую теорию смазки. Мировую известность получила работа гениального русского ученого Николая Егоровича Жуковского “О гидравлическом ударе в водопроводных трубах” (1899 году).

После Великой Октябрьской социалистической революции быстрое развитие водного хозяйства, в частности проектирование крупных гидроэлектростанций, плотин, каналов и других гидротехнических сооружений, вызвало необходимость углубленной разработки многих вопросов гидравлики. В бывшем Советском Союзе вопросами гидравлики занимался ряд научно-исследовательских институтов и лабораторий, оснащенных наиболее совершенным оборудованием и точными приборами. Благодаря своим достижениям советская гидравлика заняла ведущее место в мире.

Современное состояние гидравлики характерно широким использованием математического аппарата и при постановке тех или иных задач, и в ходе их решения, и в описании результатов. Сложность многих явлений, возникающих при движении жидкости, выделяет гидравлику среди других областей механики. Поэтому в гидравлике широко используют методы экспериментальных исследований.

Решение ряда задач гидравлики, выдвинутых практикой, получено экспериментальным путем в форме эмпирических зависимостей. Часть таких зависимостей, пройдя проверку временем и получив подтверждение и теоретическое обоснование, находит применение и сегодня.

Гидравлика издавна является основой таких специальностей, как гидротехника, мостостроение, мелиорация, водный транспорт и т. д. Последние десятилетия характерны резким расширением области применения законов гидравлики. Сейчас трудно назвать отрасль техники и строительства, другие сферы деятельности человека, в которых бы не использовалась гидравлика.

Результаты исследований в области гидравлики лежат в основе ряда перспективных направлений технического прогресса, в частности трубопроводного транспорта, гидропривода, автоматизированных систем управления, роботов. Все это повышает общетехническую роль гидравлики, особенно ее теоретических положений.

В большинстве случаев строительную практику удовлетворяет решение задач гидравлики в относительно простой одномерной постановке. При этом обычно определяются только основные, усредненные по времени и пространству характеристики движения потока.

Помимо гидравлики, изучением покоя и движения жидкостей занимается также и другая наука — теоретическая гидромеханика, развившаяся как самостоятельный раздел теоретической механики.

В XVII—XVIII веков трудами ряда крупнейших ученых — математиков и механиков (Эйлер, Бернулли, Лагранж) были установлены основные законы и получены исходные уравнения гидромеханики. Эти исследования носили главным образом теоретический характер и, включая ряд допущений в отношении физических свойств жидкости, давали больше качественную, а не количественную оценку явлений, значительно расходясь иногда с данными опыта, который до недавнего времени не играл в гидромеханике значительной роли. Естественно, что гидромеханика не могла удовлетворить многочисленным запросам практики, особенно возросшим в XIX в. в связи с бурным ростом техники, требовавшей немедленного, конкретного решения различных чисто инженерных задач. Это и явилось причиной развития особой прикладной науки, созданной в XVIII-XIX вв. трудами Шези, Дарси, Буссинеска, Вейсбаха, Η. Ε. Жуковского и многих других ученых и инженеров, которую в настоящее время называют гидравликой.

В отличие от гидромеханики гидравлика строит свои выводы на основе рассмотрения упрощенных схем гидравлических явлений, вводя в то же время в теоретические уравнения эмпирические коэффициенты, получаемые в результате обработки данных опыта, имевшего в гидравлике весьма большое значение. Так, при исследовании движения потока жидкости в гидравлике обычно ограничиваются определением средних скоростей движения и средних давлений в потоке, в то время как в гидромеханике в большинстве случаев рассматривают изменение этих величин в потоке при переходе от одной точки к другой.

В течение долгого времени развитие гидравлики и гидромеханики шло обособленными путями. Однако, если вначале методы исследования, применяемые в гидравлике и гидромеханике, значительно отличались друг от друга, то с течением времени эта разница постепенно стиралась. Сближение между этими двумя направлениями в науке, наметившееся в начале XX века и связанное с именем выдающегося ученого Л. Прандтля, в значительной мере устранило существенные недостатки, свойственные как гидравлике прошлого, представлявшей собой сугубо эмпирическую науку — науку опытных формул и коэффициентов, так и классической гидромеханике, имевшей преимущественно теоретический характер. Современная гидравлика — это наука, в которой опыт обобщается теорией, а теория исправляется и дополняется опытом, получившим в настоящее время весьма широкое применение и в гидромеханике. Гидравлика широко использует методы и результаты гидромеханики, и, очевидно, со временем различие в понятиях “гидромеханика” и “гидравлика” исчезнет и сохранит разве лишь исторический интерес.

Большую роль в развитии гидравлики и гидромеханики сыграли наши отечественные ученые. Основоположники гидромеханики Даниил Бернулли и Леонард Эйлер жили и работали в России и были членами Петербургской Академии наук. Широко известны работы Н. П. Петрова, создавшего гидродинамическую теорию смазки, Η. Ε. Жуковского, выполнившего ряд замечательных исследований в различных областях гидромеханики, А. Н. Крылова, разработавшего теорию плавания корабля, Н. Н. Павловского — по теории неравномерного движения и фильтрации жидкости.