Библиографическое описание:

Семенов О. Ю., Бижан Д. В., Жосан В. О., Мовяк С. А., Струлис С. С. Наука гидродинамика: от древних цивилизаций до наших дней // Техника. Технологии. Инженерия. — 2016. — №1. — С. 1-5.



В статье рассмотрены вопросы определения гидродинамики и гидравлики как разделов механики сплошной среды. Показаны основные понятия, методы и история развития гидродинамики. Рассмотрены основные отрасли использования знаний гидротехники.

Ключевые слова: наука, гидродинамика, механика сплошной среды, гидравлика, гидростатика, акведук, турбина, гидроэлектростанция, история науки.

Решение различных технических проблем, связанных с вопросами движения жидкостей в открытых и закрытых руслах, а также с вопросами силового воздействия жидкости на стенки сосудов или обтекаемые жидкостью твердые тела привело к созданию науки — гидромеханики, которая делится на два раздела: техническая гидромеханика и теоретическая механика жидкости и газа. Гидродинамика — одна из древнейших технических наук. Еще за 250 лет до н. э. в древней Греции появились первые трактаты о механике жидкости. Невозможно представить себе современный мир без гидротехнических сооружений, таких как дамбы, нефтепроводы, газоводы, водопроводы и т. д.

Данная работа посвящена определению и становлению такой науки как гидродинамика и её философско-научному пониманию гидродинамических процессов. Для определения гидродинамики как науки необходимо понимать, что такое наука. Наука — это исторически сложившаяся форма человеческой деятельности, направленная на познание и преобразование объективной действительности, одновременно — это и система знаний, и их духовное производство, и практическая деятельность на их основе.

Значение науки понималось уже в глубокой древности, и в разные периоды истории ее роль была неодинакова. Становление собственно научных, обособленных и от философии, и от религии форм знания обычно связывают с именем Аристотеля. Со времен первых античных философов до наших дней развитие науки было неразрывно связано с развитием философских взглядов на науку. Впервые феномен науки был осмыслен в гносеологических системах классического рационализма периода Нового времени.

Становление и развитие опытной науки XVII в. привело к серьезным преобразованиям в образе жизни человека. Наука понималась как система истинных знаний. Интересы философов был направлены на уяснения соответствия знаний и предметной области той совокупности объектов, относительно которой эти знания получены. [1].

Гидродинамика — раздел физики сплошных сред, изучающий движение идеальных и реальных жидкости и газа. Под гидродинамикой также понимается раздел гидравлики, в котором изучаются законы движения жидкости и ее взаимодействие с неподвижными и подвижными поверхностями. Методы гидродинамики позволяют также исследовать движение газов, если скорость этого движения значительно меньше скорости звука.

Гидравлика — прикладная часть гидромеханики, которая использует те или иные допущения для решения практических задач. Она обладает сравнительно простыми методиками расчета по сравнению с теоретической механикой жидкости, где применяется сложный математический аппарат. Гидростатика — раздел гидравлики, изучающий жидкости, находящиеся в состоянии относительного покоя, когда отсутствуют перемещения частиц относительно друг друга. Магнитогидродинамика — физическая дисциплина, связывающая гидродинамику и электродинамику сплошной среды. С помощью магнитной гидродинамики описываются многие явления космической физики. [2].

Прошло много веков и тысячелетий, прежде чем начали появляться отдельные попытки выполнить научные обобщения наблюдений, относящихся к гидравлическим явлениям. Зарождение представлений из области гидродинамики следует отнести к глубокой древности, ко времени гидротехнических работ, строительства акведуков проводимыми народами цивилизаций, населявшими Египет, Индию, Китай и Америку. Рис.1.

Огромный древний Акведук является историческим памятником и значимой архитектурной достопримечательностью Каира. Первый акведук, в районе современного Каира, был построен в IX веке по приказу Ахмада Ибн Тулуна. Он питал водой город аль-Катай, расположенный между городом Вавилоном и Каиром. Сейчас о существовании города аль-Катая напоминает только сохранившаяся мечеть Ибн Тулун. Второй акведук в Каире был построен в 1311 году султаном аль-Насиром. Он подавал воду из реки Нил в каирскую цитадель. С помощью огромных колёс воду поднимали на высоту, но они до наших дней не сохранились. Постепенно русло Нила смещалось на запад, поэтому длина акведука постепенно увеличивалась и после последней пристройки в 1505 году, его длина составила 3405 м. Акведук служил людям до 1872 года. По нему уже давно не течёт вода, но он как и прежде проходит под Каиром. Его пересекают современные шоссе и железная дорога. Большая (3-х км.) часть акведука сохранилась до нашего времени и на сегодняшний день имеет высоту всего 2 метров от уровня земли. Сохранившуюся часть акведука Ан-Насира можно увидеть напротив центральной части острова Рода. Долгое время власти Египта акведуку не уделяли должного внимания и только в 2007 году его очистили от гор мусора и немного подреставрировали. В будующем планируется придать акведуку первоначальный вид, отремонтировав его механические части. Возможно в скором будущем древний акведук Ан-Насира станет большой достопримечательностью Египта.

Рис. 1. Древнеегипетский акведук в Каире

В Греции еще за 250 лет до н. э. начали появляться трактаты, в которых уже выполнялись достаточно серьезные для того времени теоретические обобщения отдельных вопросов механики жидкости. Математик и механик Архимед (ок. 287–212 гг. до н. э.) изучал вопросы гидростатики и плавания. Философ Ктезибий (II I век до н. э.) изобрел пожарный насос и водяные часы. Герону Александрийскому (I век н. э.) принадлежит описание сифона, водяного органа, автомата для отпуска жидкости. Рис.2.

Рис. 2. Водяной орган

Римляне заимствовали многое у греков. В Древнем Риме строились сложные для того времени гидротехнические сооружения: акведуки, системы водоснабжения. В своих сочинениях римский инженер-строитель Фронтин (40–103 г. н. э.) указывает, что во времена Траяна в Риме было 9 водопроводов, общая длина водопроводных линий составляла 436 км (рис. 3). Римляне обращали внимание на наличие связи между площадью живого сечения и уклоном дна русла и на сопротивление движению воды в трубах (рис. 4).

Древний акведук в городе Ниме

Рис. 3. Древнеримские акведуки

Период Средних веков в Европе характеризуется некоторым отставание в области накопления и применения знаний по механики жидкости по сравнению с Ближним Востоком и Китаем. В эпоху Возрождения, в XV и в XVI веке, начали развиваться экспериментальные исследования, постепенно опровергавшие схоластические воззрения.

Рис. 4. Вид современного города с древними акведуками

В этот период в Италии появился великий Леонардо да Винчи (1452–1519), он изучал принцип работы гидравлического пресса, аэродинамику летательных аппаратов, образование водоворотных областей, истечение жидкости. Он изобрел центробежный насос, парашют, анемометр, масляный насос и другие устройства (рис. 5). Известны работы нидерландского математика — инженера Симона Стевина (1548–1620), определившего величину гидростатического давления и объяснившего «гидростатический парадокс». Великий итальянский физик, механик и астроном Галилео Галилей (1564–1642) показал, что гидравлические сопротивления возрастают с увеличением скорости и с возрастанием плотности среды.

Рис. 5. Масляный насос Леонардо да Винчи

Период XVII века и начало XVIII века. Учёный Торричелли (1608–1647) — математик и физик — дал формулу расчета скорости жидкости и изобрел ртутный барометр; Паскаль (1623 -1662) — французский математик и физик — установивший, что значение гидростатического давления не зависит от ориентировки площадки действия; И. Ньютон (1643–1727) — определил решение ряда гидравлических вопросов.

Научные основы механики жидкости были заложены тремя учеными XVIII века: Даниилом Бернулли, Эйлером и Д'Аламбером. [3].

Д. Бернулли (1700- 1782) — выдающийся физик и математик — родился в Гронингене (Голландия), с 1725 по 1733 г. профессор Бернулли трудился в Петербургской Академии наук. В Петербурге он написал свой знаменитый труд «Гидродинамика», который был впоследствии опубликован (в 1738 г.) в г. Страсбурге (рис. 6). В этом труде он осветил ряд основополагающих гидравлических вопросов и в частности объяснил физический смысл слагаемых, входящих в современное уравнение движения.

Рис. 6. «Гидродинамика» Д. Бернулли

Л. Эйлер (1707–1783) — великий математик, механик и физик — родился в г. Базеле (Швейцария), профессор Петербургской Академии наук. Эйлер обобщил в безупречной математической форме работы предшествующих авторов, но составил известные дифференциальные уравнения движения и относительного равновесия жидкости. Учёный опубликовал целый ряд оригинальных решений гидравлических задач. [4].

Ж. Д'Аламбер (1717–1783) — французский математик и философ опубликовал ряд трактатов, относящихся к равновесию и движению жидкости. Предполагают, что Д'Аламбер первый отметил возможность кавитации жидкости.

В указанный период существенный вклад в дело развития механики жидкости внесли два выдающихся французских математика того времени: Ж. Лагранж (1736–1813), который ввел понятие потенциала скорости и исследовал волны малой высоты, и П. Лаплас (1749–1827), создавший особую теорию волн на поверхности жидкости.

В середине XVIII века зарождается техническое направление механики жидкости. Во Франции начала постепенно образовываться особая школа — школа ученых-инженеров, которые стали формировать механику как прикладную науку. А. Пито (1695- 1771) — инженер-гидротехник, изобретатель прибора Пито; Ж. Борда (1733–1799) — военный инженер, который нашел потери напора при резком расширении потока; П. Дюбуа (1734–1809) — инженер-гидротехник и военный инженер, составивший труд «Принципы гидравлики». Известными стали итальянский профессор Д. Вентури (1746–1822) и немецкий ученый Р. Вольтман (1757–1837). Гидравлика обогатилась изобретением измерительной аппаратуры — пьезометрами, трубками Пито, вертушками Вольтмана (рис. 7).

Рис. 7. Вертушки Вольтмана

Зарождение и развитие гидравлики в XIX в. в России. Прикладное, инженерное направление механики жидкости, зародившееся у нас еще в работах М. В. Ломоносова, стало развиваться в России в XIX в. в стенах Петербургского института инженеров путей сообщения. Известными сподвижниками отечественной гидродинамики были П. П. Мельников (1804–1880) — инженер путей сообщения, профессора B. C. Глухов, Н. М. Соколов, П. Н. Котляревский, Ф. Е. Максименко, Г. К. Мерчинг.

Большой вклад внесли в развитие гидравлики следующие русские ученые и инженеры: профессор Н. П. Петров (1836–1920), И. С. Громека (1851–1889) — профессор Казанского университета и Н. Е. Жуковский (1847–1921) — великий ученый, профессор Московского высшего технического училища и Московского университета. Рис. 8.

Рис. 8. Почтовая марка посвящённая профессору Н. Е.Жуковскому, 1963 г.

В начале XX в. ведущая роль в области гидравлики перешла от французской гидравлической школы к немецкой, которую возглавил ряд видных немецких ученых. Профессор Ф. Форхгеймер (1852–1933) рассмотрел гидравлические сопротивления, волны и колебания воды в уравнительных резервуарах ГЭС. М. Вебер (1871–1951) — придал принципам гидродинамического подобия современные формы. Профессор Л. Прандтль (1875 -1953) разработал теорию турбулентности, исследовал гидравлические сопротивления в трубах.

Б. А. Бахметев (1880–1951) — русский ученый, инженер путей сообщения заложил основы современной русской гидравлической школы. Инженер Блазиус (1883) — впервые показал, что для «гладких труб» коэффициент сопротивления зависит только от одного параметра — числа Рейнольдса. Академик Н. Н. Павловский (1886- 1937) — в 1922 г. опубликовал основы математической теории фильтрации воды в грунтах и создал научно-педагогическую школу в области гидравлики.

Разработка проблем гидравлики диктовалась необходимостью решения тех или других практических задач. Теоретические основы технической механики жидкости начали интенсивно развиваться после того как зарубежными и отечественными учёными были сформулированы основополагающие законы физики и общей механики. Был создан математический аппарат, позволяющий достаточно точно выражать зависимости механики.

После социалистической революции в СССР был создан целый ряд научно-исследовательских институтов, разрабатывавших различные гидромеханические проблемы; было организовано большое число втузов инженерно-строительного и гидротехнического профиля. Появилась специальная литература — журналы, труды институтов, монографии, руководства для проектирования, освещающая самые различные стороны технической гидромеханики. К 20 -30-м годам XX в. возникла лабораторная база, на основе которой решались самые различные вопросы гидравлики. В 1921 году правительством был принят Государственный план электрификации России (ГОЭЛРО), который предусматривал строительство крупных гидро- и тепловых гидроэлектростанций.

В годы пятилеток перед Великой Отечественной войной был осуществлен план электрификации страны и проведено строительство ряда грандиозных гидросооружений. Было построено много электростанций и промышленных комбинатов, новых городов и рабочих поселков, обеспечено их промышленное и питьевое водоснабжение. В июне 1937 г. была образована Водохозяйственная комиссия Академии наук СССР. Все это дало мощный толчок к развитию экспериментальной и теоретической гидравлики, систем трубопроводов и сооружений как научной базы для правильного и наиболее удачного решения задач водоснабжения, канализации и инженерной гидравлики при проектировании и строительстве водозаборов и различных гидросооружений. Рис. 9.

Рис. 9. Саяно-Шушенская ГЭС является самой мощной электростанцией в России и 6-й по мощности гидроэлектростанцией в мире.

Гидравлику как прикладную инженерную науку широко используют в различных областях техники. Знание гидравлики необходимо для проектирования водных путей сообщения; строительства гидроэлектростанций; осуществления водоснабжения, канализации, осушения и орошения; конструирования в области авиации; расчета водяного отопления зданий; определения пропускной способности отверстий мостов и дорожных труб; выполнения земляных работ способом гидромеханизации; устройства водопонижения при строительстве; транспортирования по трубам бетонной смеси, строительных растворов, нефтепродуктов и взвешенного в воде угля, а также для проектирования турбин, насосов, гидропередач, гидравлических приводов и других гидравлических машин.

Одним из направлений гидравлики является и работа систем водоснабжения. Работы по изучению надежности систем водоснабжения были связаны с исследованием методов прогнозирования объемов водопотребления, эксплуатации и реконструкции систем.

В настоящее время гидравлика находит всё более широкое применение в транспорте и машиностроении. Практическое значение гидравлики возросло в связи с потребностями современной техники в решении вопросов транспортирования жидкостей и газов. В гидравлике 19 века изучалась вода, в современных условиях всё большее внимание уделяется изучению движения вязких жидкостей — нефти и её продуктов, газов и неньютоновских жидкостей (рис. 10).

Рис. 10. Неньютоновская жидкость

Глубокие исследования различных вопросов, выдвигаемых потребностями гидротехники, привели к появлению новых решений в области теории гидравлики предложенных учёными. Гидродинамика, пройдя нелегкий путь своего становления, привнесла весомый вклад в развитие цивилизации.

Литература:

  1. Бетяев С. К. К истории гидродинамики:научные школы России XX века. //Успехи физических наук, 2003. Том 173, № 4. С. 419–446.
  2. Иванов Б. Н. Мир физической гидродинамики: От проблем турбулентности до физики космоса. Изд.2, М:, URSS, 2010 г., С. 240.
  3. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Механика сплошных сред. М., ГИТТЛ, 1954.
  4. Эйлер Л. Общие законы движения жидкостей. Известия РАН, сер. МЖГ, 1999, № 6.
Основные термины (генерируются автоматически): механики жидкости, направление механики жидкости, раздел гидравлики, путей сообщения, развитие гидравлики, области гидравлики, вопросов механики жидкости, сплошной среды, основы механики жидкости, гидравлические сопротивления, законы движения жидкости, определения гидродинамики, развития механики жидкости, технической механики жидкости, теоретическая механика жидкости, силового воздействия жидкости, инженер путей сообщения, теоретической механикой жидкости, расчета скорости жидкости, механике жидкости.

Ключевые слова

наука, гидродинамика, турбина, гидроэлектростанция, гидравлика, механика сплошной среды, гидростатика, акведук, история науки.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Посетите сайты наших проектов

Задать вопрос