Учебное пособие по гидравлике

Введение

Слово «гидравлика» произошло от слияния двух греческих слов: «хюдор» — вода и «аулос» — труба. Как видно, раньше считали, что гидравлика должна заниматься изучением движения именно воды и именно в трубах.

Однако в настоящее время термин «Гидравлика» получил более широкое значение. В современном смысле гидравлика есть техническая (прикладная) наука, в которой изучаются законы равновесия и движения жидкостей, а также методы применения этих законов в инженерной практике. Часть гидравлики, рассматривающую законы равновесия жидкостей, называют гидростатикой, часть, рассматривающую законы движения жидкостей – гидродинамикой.

Исследование движения жидких тел является более трудной и сложной задачей, чем исследование абсолютно твердого тела. Еще Галилей сказал, что гораздо легче изучить движение бесконечно удаленных от нас небесных светил, чем движение воды в ручейке, протекающем у наших ног. Это станет понятным, если учесть, что в механике твердого тела мы имеем систему жестко связанных между собой частиц, тогда как в механике жидкостей рассматривается среда, состоящая из множества подвижных друг относительно друга частиц.

Вследствие этих трудностей историческое развитие механики жидкостей шло двумя путями.

Первый путь – путь точного математического анализа, основанного на законах механики, – был чисто теоретический. Он привел к созданию теоретической гидромеханики, науке, которая долгое время являлась самостоятельной дисциплиной, непосредственно не связанной с экспериментом. Этот метод является весьма эффективным средством научного исследования, однако не всегда дает ответы на вопросы, выдвигаемые практикой.

Поэтому из насущных задач практической инженерной деятельности людей родилась другая наука – гидравлика, где исследователи пошли по пути широкого привлечения эксперимента и накопления опытных данных для использования их в инженерной практике.

Метод, применяемый в современной гидравлике при исследовании движения жидкости, заключается в следующем. Исследуемые явления на первых порах упрощаются, идеализируются и к ним применяют законы теоретической механики. Затем полученные результаты сравнивают с данными опытов, определяют степень расхождения, уточняют и обеспечивают их практическое использование.

Целый ряд явлений, крайне трудно поддающихся теоретическому анализу ввиду своей сложности, исследуется в гидравлике чисто экспериментальным путем, а результаты такого исследования представляются эмпирическими формулами. Поэтому гидравлика является наукой полуэмпирической.

Эта наука дает методы расчета и проектирования разнообразных гидротехнических сооружений (плотин, каналов, водосливов, трубопроводов для подачи всевозможных жидкостей), гидравлических машин (насосов и гидротурбин), гидроприводов, а также других гидравлических устройств, применяемые во многих областях техники.

Особенно велика роль гидравлики в машиностроении. Так, например, на современном машиностроительном заводе широко используется гидравлический привод в металлорежущих станках, кузнечно-прессовом гидрооборудовании; гидравлика применяется при литье металлов, пластмасс и пр.

Одной из характерных особенностей современного сельскохозяйственного производства является возрастающая роль различного гидравлического оборудования – гидроприводов, топливных и масляных систем на тракторах, автомобилях, комбайнах и других устройствах. Сельскохозяйственное производство немыслимо без систем водоснабжения, орошения, канализации, транспортировки и раздачи жидких кормов в животноводстве.

Для того чтобы хорошо понимать работу этих систем, грамотно их эксплуатировать, уметь устанавливать причины неисправностей и находить пути их устранения, а тем более проектировать и рассчитывать эти системы, нужно иметь соответствующую подготовку в области гидравлики.

Кроме того, гидравлика, как дисциплина общеобразовательная, является фундаментом для создания принципиально новых машин, технических и всевозможных устройств. Она входит в число наук, наиважнейших при подготовке специалиста XXI века.

Зарождение отдельных представлений из области гидравлики следует отнести к глубокой древности, ко времени гидротехнических работ, проводимых древними народами.

Математик и механик из Древней Греции Архимед (287-212 лет до н. э.) оставил после себя десятки рукописей и двухтомный анализ вопросов гидростатики и плавания тел.

Труды, в которых рассматривались те или другие вопросы гидравлики, начали появляться только спустя 16 веков. В эти века, именуемые Средневековьем, прогресса во всех областях науки, включая и гидравлику, почти не было. «Святая» инквизиция инакомыслящих отправляла на костер.

После периода застоя в Италии появляется гениальная личность – Леонардо да Винчи (1452-1519), который обладал обширнейшими знаниями в самых различных областях: живописи, музыке, скульптуре, физике, анатомии, ботанике, механике, геологии, архитектуре, строительстве. К сожалению, многие труды Леонардо были утеряны или не расшифрованы (как известно, свои труды он зашифровал, опасаясь плагиата). Есть мнение, что Леонардо уже знал то, что в будущем откроют Галилей и Ньютон. В свете дальнейшего развития науки сделалось особенно ясным величие гения Леонардо. Укажем только некоторые вопросы механики жидкости, которыми он занимался: принцип работы гидравлического пресса; плавание тел; аэродинамика летательных аппаратов; вопросы подводного плавания; мельницы и другие гидравлические машины. Леонардо изобрел центробежный насос, парашют, анемометр. Все это отражено в сохранившихся 7 тыс. страниц рукописей Леонардо.

По–видимому, справедливо будет признать, что Леонардо да Винчи является основоположником гидравлической науки.

Рассматривая период Возрождения, следует отметить нидерландского математика инженера Симона Стевина (1548-1620), решившего, в частности, задачу о величине гидростатического давления, действующего на плоскую фигуру.

Великий итальянский физик, механик и астроном Галилео Галилей (1564 – 1642) опубликовал доклад по гидростатике; он показал, что гидравлические сопротивления возрастают с увеличением скорости движущегося в воде твердого тела.

В период XVII – начала XVIII веков можно отметить следующих ученых, работы которых оказались существенными для дальнейшего развития гидравлики: Эванджелист Торричелли (1608-1647), Эдм Мариотт (1620-1684), Блез Паскаль (1623-1662), Исаак Ньютон (1643-1727), Вильгельм Лейбниц (1646-1716).

современные теоретические основы механики жидкости были заложены тремя учеными XVIII века: Бернулли, Эйлером и Д, Аламбером.

Даниил Бернулли (1700-1782) – выдающийся физик и математик (Голландия). С 1725 по 1733 гг. работал в Петербургской академии наук. Он дал теоретическую основу известного уравнения, носящего его имя.

Леонард Эйлер (1707-1783) – великий математик, механик и физик (Швейцария) жил более 30 лет в России и работал в Петербургской академии наук. Он подытожил и обобщил в безупречной математической форме работы предшествующих авторов и дал известные дифференциальные уравнения движения и относительного равновесия жидкости, носящие его имя.

Жан Лерон Д, Аламбер (1717-1783) – математик и философ (Франция), с 1764 г. состоял членом Петербургской академии наук. Он предложил рассматривать жидкость как материю, состоящую из большого числа частиц, свободно движущихся относительно друг друга. Считают, что он первый отметил возможность возникновения кавитации жидкости.

С конца XVIII столетия во Франции начала образовываться особая школа – школа ученых инженеров, которые стали развивать и формировать механику жидкости как техническую (прикладную) науку – гидравлику (Шарль Боссю, Анри Пито, Антуан Шези, Жан Шарль Борда, Пьер Луи Жорж Дюбуе, Джованни Баттиста Вентури).

В XIX веке гидравлическая школа инженеров быстро прогрессировала. К французской школе присоединились специалисты других стран (Анри Навье, Беланже, Кориолис, Хаген, Сен-Венан, Пуазейль, Дарси, Вебер, Вейсбах, Фруд, Маннинг, Стокс, Кирхгоф, Базен, Пельтон, Рейнольдс и др.). В России XIX век прославили в области гидравлики ученые Петров, Жуковский, Громеко, Менделеев.

XX век характерен развитием гидравлики в области инженерно-строительных специальностей благодаря ученым Веберу, Прандтлю, Кирпичеву, Бахметьеву, Карману, Павловскому, Бернадскому и др.

Раздел 1

Гидравлика

1.  Силы, действующие в жидкости

Жидкостью называется физическое тело способное изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил, т. е., как принято говорить, жидкость обладает текучестью.

Жидкости делятся на два класса: капельные и газообразные (газы). Капельные жидкости способны образовывать капли. Если их объем меньше объема сосуда, они занимают часть его. В этом случае они имеют поверхность раздела капельной жидкости с газом, называемую свободной поверхностью.

Газы занимают весь предоставленный им объем. В курсе гидравлики изучаются только капельные жидкости, называемые просто жидкостями.

Жидкость рассматривается как сплошная среда, т. е. среда без пустот и переуплотнений (по-латыни такая среда называется континуум).

Вследствие текучести жидкости в ней принципиально не могут существовать сосредоточенные силы, а только равномерно приложенные к объему (массе) или к поверхности. Поэтому силы, действующие в жидкости, подразделяют на объемные (массовые) и поверхностные.

Массовые силы в соответствии со вторым законом Ньютона пропорциональны массе жидкости или ее объему. К ним относятся сила тяжести и сила инерции переносного движения, т. е. на элементарный объем жидкости ΔW c плотностью ρ, движущийся с ускорением Ј действует массовая сила ΔF = ρΔW·Ј.

Поверхностные силы непрерывно распределены по поверхности жидкости и пропорциональны величине этой поверхности. Эти силы обусловлены непосредственным воздействием соседних объемов жидкости на данный объем или же воздействием других тел (твердых или газообразных), соприкасающихся с данным жидким телом.