Гидравлика

У этого термина существуют и другие значения, см. Гидравлика (значения).

Гидра́влика (др.-греч. ὑδραυλικός — водяной, гидравлический (первоначально о водяном орга́не); от др.-греч. ὕδραυλις  — гидравлос, водяной орга́н от др.-греч. ὕδωρ — вода + др.-греч. αὐλός — авлос, духовой музыкальный инструмент, трубка) — прикладная наука о законах движения (см. гидродинамика капельных жидкостей и газов), равновесии жидкостей (см. гидростатика) и способах приложения этих законов к решению задач инженерной практики.

Гидравлика и другие науки

Открытый канал с постоянной глубиной. Открытая гидравлика работает с однородными и неравномерными потоками.

Иллюстрация гидравлики и гидростатики.

В отличие от гидромеханики, гидравлика характеризуется особым подходом к изучению явлений течения жидкостей: она устанавливает приближённые зависимости, ограничиваясь во многих случаях рассмотрением одноразмерного движения, широко используя при этом эксперимент, как в лабораторных, так и в натурных условиях.

Наряду с этим намечается всё большее сближение между гидромеханикой и гидравликой: с одной стороны, гидромеханика всё чаще обращается к эксперименту, с другой — методы гидравлического анализа становятся более строгими.

История

Акведук в Сеговии, шедевр I в. н. э.

Водяные колёса

Некоторые принципы гидростатики были установлены ещё Архимедом, возникновение гидродинамики также относится к античному периоду, однако формирование гидравлики как науки начинается с середины XV века, когда Леонардо да Винчи лабораторными опытами положил начало экспериментальному методу в гидравлике. В XVI—XVII веках С. Стевин, Г. Галилей и Б. Паскаль разработали основы гидростатики как науки, а Э. Торричелли дал известную формулу для скорости жидкости, вытекающей из отверстия.

В дальнейшем И. Ньютон высказал основные положения о внутреннем трении в жидкостях. В XVIII веке Д. Бернулли и Л. Эйлер разработали общие уравнения движения идеальной жидкости, послужившие основой для дальнейшего развития гидромеханики и гидравлики.

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 XVIII века 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 наука обогатилась значительным числом эмпирических формул. Практическая гидравлика всё более отдалялась от теоретической гидродинамики. Сближение между ними наметилось лишь к концу XIX века в результате формирования новых взглядов на движение жидкости, основанных на исследовании .

Особо заслуживают упоминания работы О. Рейнольдса, позволившие глубже проникнуть в сложный процесс течения и в физическую природу гидравлических сопротивлений и положившие начало учению о . Впоследствии это учение, благодаря исследованиям Л. Прандтля и Т. Кармана, завершилось созданием полуэмпирических , 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 XX веке быстрый рост гидротехники, теплоэнергетики, , а также авиационной техники привёл к интенсивному развитию гидравлики, которое характеризуется синтезом теоретических и экспериментальных методов. Большой вклад в развитие науки сделали советские учёные — Н. Н. Павловский, Л. С. Лейбензон, 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 т. н. 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 обобщённых закономерностей. Постепенно гидравлика превращается в один из прикладных разделов общей науки о движении жидкостей — механики жидкости.

Предмет изучения

Фонтан Герона

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 и пр.;
• медицины.

Основные направления

Гидравлика обычно подразделяется на две части:

• , где излагаются важнейшие положения учения о равновесии и движении жидкостей,
• , применяющую эти положения к решению частных вопросов инженерной практики.

Основные разделы практической гидравлики:

•  — течение по трубам;
• () — течение в каналах и реках;
• истечение жидкости из отверстия и через водосливы;
• 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.) ;
•  — поток и твёрдого преграждения.

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

Основные разделы теоретической гидравлики:

• гидростатика;
• гидродинамика;
• .

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 (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 гидравлике 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 гидравлики — неравномерное и неустановившееся движение в открытых руслах и трубах, течение с переменным расходом, фильтрация и др. — иногда объединяют под общим названием «», или «».

Таким образом, круг вопросов, охватываемых гидравликой, весьма обширен, и её законы в той или иной мере находят применение почти во всех областях инженерной деятельности, особенно в гидротехнике, мелиорации, водоснабжении, канализации, теплогазоснабжении, гидромеханизации, гидроэнергетике, водном транспорте и др.

Известные учёные-гидравлики и гидротехники

Исследования в области гидравлики координируются Международной ассоциацией гидравлических исследований (МАГИ). Её орган — «Journal of the International Association for Hydraulic Research» (Delft, с. 1937).

Развитие гидравлики связано с именами учёных:

• Архимед
• Ктесибий
• М. В. Ломоносов
• Э. Торричелли
• А. Шези
• Д. Бернулли
• Н. Е. Жуковский
• В. Г. Шухов
• Н. П. Петров
• И. С. Громек
• Н. Н. Павловский
• А. Н. Колмогоров
• С. А. Христианович
• М. А. Великанов
• Д. В. Штеренлихт
• А. Я. Милович
• А. Д. Альтшуль
• Константинов
• Большаков
• Л. Прандтль
• Дж. Вентури
• Пито
• Маковский
• И. И. Никурадзе
• Леонард Эйлер
• Жозеф Луи Лагранж
• Анри Навье
• Джордж Стокс
• Анри Дарси
• Юлиус Вейсбах
• Осборн Рейнольдс

См. также

• Гидрофор
• Гидроаккумулятор
• Пневматика

Примечания

1. NEZU Iehisa (1995), Suirigaku, Ryutai-rikigaku, Asakura Shoten, p. 17, ISBN 978-4-254-26135-6.
2. Гидравлика // Этимологический словарь русского языка / Под. ред. Н. М. Шанского. — М.: Издательство Московского университета, 1972. — Т. 1. Выпуск 4. — С. 70. — 216 с.
3. А. Е. Аникин. Русский этимологический словарь. — М.: Нестор-История, 2016. — Т. 10. — С. 211. — 368 с. — ISBN 978-5-88744-087-3. Архивировано 16 августа 2024 года.
4. Hydraulique Архивная копия от 2 мая 2024 на Wayback Machine // Trésor de la langue française informatisé
5. Hydraulic // The Oxford English Dictionary. — Oxford: Clarendon Press, 1933. — Т. 5. — С. 483. — 758 с.
6. Гидравлика. Статья в Физической энциклопедии.  (неопр.) Дата обращения: 5 июля 2012. Архивировано 14 марта 2012 года.
7. Гидравлика — статья из Большой советской энциклопедии. 

Литература

• Альтшуль А. Д., Киселев П. Г. Гидравлика и аэродинамика. — М., 1965.
• Богомолов А. И., Михайлов К. А. Гидравлика. — М.: Стройиздат, 1972.
• Богомолов А. И., Михайлов К. А. Гидравлика. — М., 1965.
• Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. — М. — Л., 1960.
• Киселев П, Г. Справочник по гидравлическим расчетам. 3-е изд. — М. — Л., 1961.
• Чугаев Р. Р. Гидравлика. — М. — Л., 1970.
• Чугаев Р. С. Гидравлика. — М.: Госэнергоиздат, 1970.
• Пашков Н. Н., Долгачев Ф. М. Гидравлика. Основы гидрологии. — М., 1977.

Периодические издания в области гидравлики

• Журнал «Гидротехническое строительство» (с 1930);
• Журнал «Гидротехника и мелиорация» (с 1949);
• Журнал «Известия Всесоюзного научно-исследовательского института гидротехники им. Б. Е. Веденеева» (с 1931);
• «Труды координационных совещаний по гидротехнике» (с 1961),
• Сборники «Гидравлика и гидротехника» (с 1961);
• «Houille Blanche» (Grenoble, с 1946);
• «Journal of the Hydraulics Division. American Society of Civil Engineers» (N. Y., с 1956);
• «L’energia elettrica» (Mil., с 1924).

Ссылки

• История гидравлики;
• Лекционный курс гидравлики
• Гидравлика, учебный фильм