Лекция 1

Гидра́влика (др.-греч. ὑδραυλικόσ — «водяной», от ὕδωρ — «вода» и αὐλόσ — «трубка») — наука о законах движения (см. Гидродинамика капельных жидкостей и газов) и равновесии жидкостей (см. Гидростатика) и способах приложения этих законов к решению задач инженерной практики.

Некоторые принципы гидростатики были установлены ещё Архимедом, возникновение гидродинамики также относится к античному периоду, однако формирование гидравлики как науки начинается с середины 15 в., когда Леонардо да Винчи лабораторными опытами положил начало экспериментальному методу. В 16—17 вв. С. Стевин, Г. Галилей и Б. Паскаль разработали основы гидростатики как науки, а Эванджелиста Торричелли дал известную формулу для скорости жидкости, вытекающей из отверстия. В дальнейшем И. Ньютон высказал основные положения о внутреннем трении в жидкостях. В 18 в. Д. Бернулли и Леонард Эйлер разработали общие уравнения движения идеальной жидкости, послужившие основой для дальнейшего развития гидромеханики. Однако применение этих уравнений (так же как и предложенных несколько позже уравнений движения вязкой жидкости) для решения практических задач привело к удовлетворительным результатам лишь в немногих случаях, в связи с этим с конца 18 в. многие учёные и инженеры (А. Шези, А. Дарси, А. Базен, Ю. Вейсбах и др.) опытным путём изучали движение воды в различных частных случаях, в результате чего гидравлика обогатилась значительным числом эмпирических формул. Создававшаяся т. о. практическая гидравлика всё более отдалялась от теоретической гидродинамики. Сближение между ними наметилось лишь к концу 19 в. в результате формирования новых взглядов на движение жидкости, основанных на исследовании структуры потока. Особо заслуживают упоминания работы Осборна Рейнольдса, позволившие глубже проникнуть в сложный процесс течения реальной жидкости и в физическую природу гидравлических сопротивлений и положившие начало учению о турбулентном движении. Впоследствии это учение, благодаря исследованиям Л. Прандтля и Т. Кармана, завершилось созданием полуэмпирических теорий турбулентности, получивших широкое практическое применение. К этому же периоду относятся исследования Н. Е. Жуковского, из которых для гидравлики наибольшее значение имели работы о гидравлическом ударе и о движении грунтовых вод. В 20 в. быстрый рост гидротехники, теплоэнергетики, гидромашиностроения, а также авиационной техники привёл к интенсивному развитию г., которое характеризуется синтезом теоретических и экспериментальных методов. Большой вклад в развитие гидравлики сделан сов. учёными (работы Н. Н. Павловского, Л. С. Лейбензона, м. А. Великанова и др.).

Практическое значение гидравлики возросло в связи с потребностями современной техники в решении вопросов транспортирования жидкостей и газов различного назначения и использования их для разнообразных целей. Если ранее в гидравлике изучалась лишь одна жидкость — вода, то в современных условиях всё большее внимание уделяется изучению закономерностей движения вязких жидкостей (нефти и её продуктов), газов, неоднородных и неньютоновских жидкостей. Меняются и методы исследования и решения гидравлических задач. Сравнительно недавно в гидравлике основное место отводилось чисто эмпирическим зависимостям, справедливым только для воды и часто лишь в узких пределах изменения скоростей, температур, геометрических параметров потока; теперь всё большее значение приобретают закономерности общего порядка, действительные для всех жидкостей, отвечающие требованиям теории подобия и пр. При этом отдельные случаи могут рассматриваться как следствие обобщенных закономерностей. Г. постепенно превращается в один из прикладных разделов общей науки о движении жидкостей — механики жидкости.

Гидравлика, как прикладная наука, применяется для решения различных инженерных задач в области:

Водоснабжения и водоотведения (канализации);

Транспортировка веществ по трубопроводу: газ, нефть и т. п.;

Строительства различных гидротехнических сооружений, водозаборных сооружений;

Конструирования различных устройств, машин, механизмов:

Насосов;

Компрессоров;

Демпферов;

Амортизаторов;

Гидравлических прессов;

Гидравлических приводов.

Гидравлика обычно подразделяется на две части:

Теоретические основы гидравлики, где излагаются важнейшие положения учения о равновесии и движении жидкостей,

Практическая гидравлика, применяющая эти положения к решению частных вопросов инженерной практики.

Основные разделы практической гидравлики:

Гидравлика трубопроводов — течение по трубам;

Гидравлика открытых русел (динамика русловых потоков) — течение в каналах и реках;

Истечение жидкости из отверстия и через водосливы;

Гидравлическая теория фильтрации даёт методы расчёта дебита и скорости течения воды в различных условиях безнапорного и напорного потоков (фильтрация воды через плотины, фильтрация нефти, газа и воды в пластовых условиях, фильтрация из каналов, приток к грунтовым колодцам и пр.);

Гидравлика сооружений — взаимодействие потока и твёрдого преграждения.

Во всех указанных разделах движение жидкости рассматривается как установившееся, так и неустановившееся (нестационарное).

Основные разделы теоретической гидравлики:

Гидростатика;

Гидродинамика;

Кинематическая гидравлика;

Прикладное значение

Гидравлика широко использует теоретические положения механики и данные экспериментов. В прошлом гидравлика носила чисто экспериментальный и прикладной характер, в последнее время её теоретические основы получили значительное развитие, это способствовало сближению её с гидромеханикой. Гидравлика решает многочисленные инженерные задачи, рассматривает многие вопросы гидрологии, в частности, законы движения речных потоков, перемещения ими наносов, льда и шуги, процессы формирования русла и т. Д. Этот комплекс вопросов объединяется речной гидравликой (динамикой русловых потоков), которую можно рассматривать как самостоятельный раздел гидравлики.

По отношению к гидромеханике гидравлика выступает как инженерное направление, получающее решение многих задач о движении жидкости на основе сочетания эмпирических зависимостей, установленных опытным путём, с теоретическими выводами гидромеханики.

В г. Рассматриваются также движение наносов в открытых потоках и пульпы в трубах, методы гидравлических измерений, моделирование гидравлических явлений и некоторые др. Вопросы. Существенно важные для расчёта гидротехнических сооружений вопросы г. — неравномерное и неустановившееся движение в открытых руслах и трубах, течение с переменным расходом, фильтрация и др. — иногда объединяют под общим названием «инженерная гидравлика» или «гидравлика сооружений».

Т. О., круг вопросов, охватываемых г., весьма обширен и законы г. В той или иной мере находят применение практически во всех областях инженерной деятельности, а особенно в гидротехнике, мелиорации, водоснабжении, канализации, теплогазоснабжении, гидромеханизации, гидроэнергетике, водном транспорте и др.

Дата добавления: 2014-01-05