Введение.  Предмет гидравлики.

Модели жидкой среды

При решении различных технических проблем часто приходится встречаться с процессами движения различных жидкостей и их силовым воздействием на твердые тела. Исследование указанных процессов привело к созданию науки, которая называется “Механика жидкого тела“ или “Гидромеханика”.

Гидромеханика изучает общие закономерности покоя, равновесия и движения жидкостей, их силовое воздействие на твердые тела, а также способы применения указанных закономерностей к решению различных инженерных задач.

Предметом изучения в гидромеханике является в основном поведение так называемых капельных жидкостей (жидкостей, способных образовывать капли) – например, воды, бензина, глицерина и т.д. Капельные жидкости по своему молекулярному строению занимают промежуточное положение между твердыми телами и газами. По плотности они близки к твердым телам (молекулы находятся примерно на таких же расстояниях, что и в твердом состоянии, поэтому силы сцепления достаточно высоки). В то же время капельные жидкости обладают большой подвижностью (текучестью), характерной для газов. Математическое описание подобных промежуточных состояний, когда проявляются и, соответственно, требуют учета  свойства обоих исходных состояний, представляет значительную сложность, что и было  отмечено учеными довольно давно. В частности, знаменитый математик и астроном Галилей несколько веков назад сказал, что гораздо легче изучить поведение бесконечно удаленных от Земли небесных тел, чем движение воды в ручейке, протекающем у наших ног. Это объясняется тем, что в механике твердого тела мы имеем систему жестко связанных между собой твердых частиц, жидкость же является совокупностью множества подвижных частиц, перемещающихся относительно друг друга. Прошли века и жизнь подтвердила справедливость высказывания Галилея. До сего времени не удалось разрешить в общем виде дифференциальных уравнений движения реальной жидкости. Поэтому исторически изучение гидромеханики проходило по двум направлениям:

1.  ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ,   основоположниками  которого  являлись И.Ньютон, Л.Эйлер, Д.Бернулли и другие знаменитые математики и механики. Решения, которые получает теоретическая гидромеханика, являются более общими и более строгими, однако весьма сложны, не учитывают ряд факторов, не слишком удобны и поэтому малопригодны для инженерных расчетов.

2. ТЕХНИЧЕСКОЕ (экспериментальное), которое развивалось, в основном, французскими инженерами. В технической гидромеханике используются упрощающие допущения, экспериментальные данные (эмпирические уравнения), а решения имеют приближенный характер.

В первой трети двадцатого века наметилась тенденция к сближению указанных направлений - используются теоретические методы исследования, результаты которых уточняются введением экспериментальных поправок. Такой подход использует гидравлика - прикладная наука, синтезирующая теоретический и экспериментальный методы исследования поведения жидкостей. Название образовано из греческих слов ”хюдор“(вода) и “аулос”(трубы) и относится к тому периоду человеческой истории, когда преимущественно изучалось течение воды по трубам.

 Таким образом, гидравлика  зародилась в глубокой древности. Исходно ее элементарные закономерности использовались для решения жизненно-важных вопросов - орошения полей, строительства мельниц и плотин, водоснабжения городов, кораблестроения и т.д. Наиболее известными учеными древности и эпохи Возрождения в области гидравлики являются Архимед (исследовал законы гидростатики и плавания тел, создал ряд уникальных механизмов и гидромеханических устройств) и Леонардо да Винчи (изучал работу гидравлического пресса, истечение жидкостей из отверстий, интерференцию волн, изобрел центробежный насос, парашют и т.д.). Теоретические основы современной гидравлики заложены в XVII и XVIII веках трудами уже упомянутых Ньютона, Эйлера, Бернулли. Российские ученые–гидравлики внесли свою лепту в развитие гидравлики в XIX и XX веках: Жуковский создал теорию гидравлического удара, Петров обосновал гидродинамическую теорию смазки,  а  Громека  создал теорию винтовых потоков.

 Роль гидравлики в современной технике весьма высока. Гидравлика дает методы расчета и проектирования различных гидротехнических сооружений (плотин, каналов, трубопроводов), гидравлических машин (насосов, турбин, гидропередач).

Особенно велика роль гидравлики в машиностроении. Гидросистемы, состоящие из насосов, трубопроводов и различных гидроагрегатов, широко используются в системах топливоподачи, смазки, охлаждения современных машин, станков, автомобилей, самолетов и т.д. Все более широкое применение находят гидроприводы и гидроавтоматика в машиностроении, системах комплексной механизации и автоматизации различных производств.

  Под жидкостью в гидравлике понимают физическое тело, состоящее из частиц, обладающих большой подвижностью. Жидкости способны к необратимой деформации сдвига под влиянием весьма малых касательных напряжений. Таким свойством обладают не только капельные жидкости, но и газы, поэтому термин “жидкость“ распространяют и на них. Законы движения капельных жидкостей при определенных условиях можно использовать и для газов.

Предложены упрощенные представления о жидкостях – модели жидких тел. Л. Эйлер предложил использовать модель сплошной жидкой среды. Это позволило считать параметры потока жидкости (скорость, давление, плотность) непрерывными функциями координат и времени, и в связи с этим использовать аппараты дифференциального и интегрального исчисления. Используется также модель идеальной жидкости – воображаемой жидкой среды, не обладающей вязкостью и сжимаемостью. Применяется и струйная модель потока (направленно движущейся), согласно  которой поток мыслится как совокупность множества очень тонких (элементарных) струек. Особенности индивидуального поведения и взаимодействия этих струек между собой и(или) окружающей средой определяют закономерности макроскопического поведения потоков в различных условиях.