|
|
Краткая историческая справка о развитии механики жидкости и газаУДК 62-822
Галюжин Сергей ДАНиЛОВИЧ Галюжин Александр сергеевич Механика жидкости и газа
Краткий конспект лекций
Могилев 2013 1 Введение в механику жидкости и газа
Предмет и метод механики жидкости и газа
Механика жидкости и газа – техническая прикладная наука, изучающая законы, которым подчиняется жидкость и газ в состоянии покоя, движения и взаимодействия с твердыми телами, а также методы использования этих законов в инженерной практике. Предметом механики жидкости и газа является физическое тело, при приложении к которому достаточно малых сил происходит достаточно большое изменение относительного положения его элементов. Такое тело называют жидким или жидкостью, а основным его свойством является текучесть. В общем случае жидкость – это непрерывная среда, способная неограниченно изменять свою форму под действием незначительных сил. В механике жидкости и газа рассматривают два типа жидкостей: малосжимаемые (капельные) и сжимаемые (газообразные). С точки зрения физического строения капельные жидкости существенно отличаются от газов. С позиций механики различие между ними зачастую невелико. В случае, когда сжимаемостью газа можно пренебречь, законы, справедливые для капельных жидкостей, можно применять и для газов. Капельные жидкости имеют ряд особенностей: – в малом количестве под воздействием сил поверхностного натяжения стремятся принять сферическую форму; – обладают текучестью, поэтому принимают форму сосуда, в котором располагаются; – незначительно изменяют свой объем при изменении температуры и под действием сжимающих сил. В отличие от капельных жидкостей газы существенно уменьшаются в объеме под действием давления и практически неограниченно расширяться при его отсутствии. Для исключения путаницы в дальнейшем под термином «жидкость» будем понимать капельную жидкость, а под термином «газ» – вещество в газообразном состоянии (сжимаемую жидкость). Историческое развитие механики жидкости и газа шло двумя различными путями. Первый путь – теоретический. На основе фундаментальных законов механики с помощью математического аппарата описывалось движение жидкости и газа, процессы, происходящие в различных гидравлических и пневматических устройствах. Этот путь привел к созданию теоретической гидромеханики и аэродинамики. Долгое время эти научные дисциплины не были связаны с экспериментальными исследованиями и инженерной практикой. Второй путь – путь экспериментальных исследований, накопления и обработки результатов этих исследований для решения практических инженерных задач. Этот путь привел к созданию гидравлики и пневматики. Примерно во второй половине XIX века начинается постепенное сближение и объединение этих научных дисциплин в механику жидкости игаза. В настоящее время в механике жидкости и газа, как и в ряде других наук, широко используется следующий метод. Вначале разрабатывается математическая модель объекта, т.е. посредством математических символов и зависимостей на основе фундаментальных законов физики составляется описание функционирования объекта в окружающей внешней среде. Модель позволяет определить выходные параметры и характеристики, получить оценку показателей эффективности и качества, осуществить поиск оптимальной структуры и параметров объекта. Применение математического моделирования во многих случаях позволяет отказаться от физического моделирования, значительно сократить объемы экспериментальных исследований и доводочных работ, обеспечить создание объектов с высокими показателями эффективности и качества. Затем создается опытный образец устройства и проводятся его испытания. Результаты математического моделирования сравнивают с опытными данными, уточняют и дополняют математическую модель для дальнейшего практического использования. Вместе с тем, в некоторых случаях из-за большой сложности явлений и процессов, трудно поддающихся математическому моделированию, прибегают только к экспериментальным исследованиям. Полученные результаты обрабатывают с помощью современных методов и представляют в виде эмпирических зависимостей. Современная механика жидкости и газа позволяет рассчитать и спроектировать разнообразные гидро- и пневмотехнические системы зданий и сооружений: каналы, водосливы, трубопроводы для подачи различных жидкостей и газов, системы вентиляции. Краткая историческая справка о развитии механики жидкости и газа
Отдельные представления о механике жидкости и газа возникли во времена древних цивилизаций, когда народами таких стран как Китай, Индия, Египет, Вавилон начали создаваться простейшие гидротехнические сооружения. Известно, что в Китае за 5000 лет до Рождества Христова (РХ) существовали довольно сложные оросительные системы. Известна оригинальная ирригационная система в Вавилонском царстве (VI в до РХ), построенная в междуречье Тигра и Евфрата. Эллинистический период развития науки Древней Греции принес больше достижения в области механики. Среди ученых – механиков того времени заслуженную известность приобрел Архимед. Его перу принадлежит первый научный труд в области механики жидкости – трактат «О плавающих телах» (250 г. до РХ). В нем Архимед изложил основные вопросы гидростатики, исследовал вопросы плавания тел в жидкости и сформулировал закон о плавучести тел, известный в настоящее время каждому школьнику и носящий имя автора. За истекшее время к этому труду Архимеда мало что удалось добавить. Научные достижения Архимеда были тесно связаны с практикой. Им сделаны многочисленные изобретения, в их числе архимедов винт – устройство для подъема воды.
В древнем Риме также было немало талантливых ученых – естествоиспытателей. Но, тем не менее, надо сказать, что новых идей было высказано значительно меньше, чем в Древней Греции. В известной мере это объясняется тем, что древние римские ученые были прагматиками и меньше склонны к абстрактным рассуждениям, как древнегреческие ученые. Больших успехов достигли римляне в строительстве акведуков (лат. аqua – вода, duco – веду) в форме каналов и труб, общая длина которых составлена около 440 км. Представляют интерес научные сочинения «О водопроводах Рима», который написал куратор римских водопроводов Секст Юлий Фронтин (I в). В нем изложены элементы гидродинамики в зачаточной форме. Например, он писал, что количество воды, поступившее в трубу и вытекшее из нее, должно равняться между собой. Период средневековья, длившийся после развала Римской империи почти 1000 лет, характеризуется упадком естественных наук, в том числе и механики жидкости и газа. Некоторые исследования в это время проводились учеными Ближнего и Среднего Востока. В основном они касались создания ирригационных сооружений. Наступившая затем Эпоха Возрождения характеризуется бурным развитием естественных наук. Первые труды по механике жидкости и газа в эту эпоху принадлежит гениальному итальянскому художнику, скульптору, ученому и инженеру Леонардо да Винчи(1452…1519). Он изучал принцип работы гидравлического пресса, аэродинамику летательных аппаратов, истечение жидкости через отверстия и водосливы, изобрел центробежный насос, парашют, анемометр (устройство для измерения скорости движения воздуха). У него формулировка принципа неразрывности достигла наибольшей ясности. Он писал: «Река в каждой части своей длины в одинаковое время дает проход равному количеству воды независимо от ширины, глубины, наклона шероховатости и извилистости». Наверное, справедливо будет признать, что Леонардо да Винчи является основоположником механики жидкости и газа.
Великий итальянский физик, механик и астроном Галилео Галилей (1564…1642) показал, что гидравлическое сопротивление движению жидкости возрастает с увеличением ее скорости движения и плотности.
Известный французский математик и физик Блез Паскаль (1623…1662) в трактате «О равновесии жидкостей» сформулировал закон о распространении давления в жидкости (давление на поверхность жидкости, произведённое внешними силами, передаётся жидкостью одинаково во всех направлениях), вплотную приблизился к формулировке закона о распределении давления в покоящейся жидкости (основного закона гидростатики), сформулировал идею создания гидравлического пресса. Кроме того, он окончательно решил и обосновал вопрос о вакууме. Гениальный английский физик, астроном и математик Исаак Ньютон (1642…1727) открыл явление сжатия струи при истечении жидкости через отверстие и высказал гипотезу о законе внутреннего трения в жидкости.
К середине XVII века благодаря исследованиям ряда выдающихся ученых: Галилея, Коперника, Кеплера, Паскаля, Декарта, Гука, Ньютона, Лебница, Ломоносова и других эти препятствия были устранены и достаточно четко сформулированы основные положения современной теоретической механики. После этого быстро начали создаваться научные основы механики жидкости и газа, которые были заложены тремя крупнейшими учеными VIII века: Даниилом Бернулли, Леонардом Эйлером и Жаном Лероном Д’Аламбером. Даниил Бернулли (1700…1782), выдающийся физик и математик, с 1725г по 1733 работал в Петербургской Академии наук. Здесь он написал свой знаменитый труд «Гидродинамика, или Записки о силах и движениях жидкостей», который был издан в 1738г. в Страсбурге.
В XVIII веке вклад в развитие механики жидкости и газа начинают вносить и русские ученые. Гениальный русский ученый, академик Петербургской Академии наук Михаил Васильевич Ломоносов(1711…1765) внес значительный вклад в развитие этой науки. В своей диссертации «Рассуждение твердости и жидкости тел» (1760) он изложил закон сохранения массы и энергии, лежащей в основе механики жидкости и газа. Многочисленные вопросы механики жидкости и гидротехники нашли в его работах: «О превращении твердого тела в жидкое, в зависимости от движения предшествующей жидкости (1738), «Первые основания металлургии или рудных дел» (1762). М.В.Ломоносов известен как изобретатель «инструмента для исследования жидких материй по числу капель» - прообраза современного вискозиметра. Наряду с исследованиями равновесия и движения жидкостей аналогичные исследования проводились и с газами. В 1676 г. академик Парижской академии наук физик Эдм Мариот (1620…1684) на основе многочисленных опытов вывел закон об обратной пропорциональности объема газа и давления при постоянной температуре. Этот же закон четырнадцатью годами ранее был сформулирован членом Лондонского королевского общества, крупнейшим химиком Робертом Бойлем (1627…1691). Поскольку эти работы выполнены обоими авторами независимо друг от друга, то закон носит имя обоих ученых. Мариотт впервые использовал полученный закон для определения высоты по показаниям барометра.
Великий русский ученый Д.И.Менделеев (1834…1907) объединил уравнение Клапейрона и закон Авогадро получил уравнение состояния идеального газа, называемое уравнением Клапейрона-Менделеева. Жан Лерон Д’Аламбер (1717-1783) математик и философ, член Парижской и других академий наук опубликовал ряд трактов, относящихся к равновесию и движению жидкостей. Считают, что он первым отметил возможность кавитации жидкости. Во второй половине XVIII века во Франции зарождается прикладное направление механики жидкости. Яркими представителями этого направления были: А.Пито (1695…1771) – инженер-гидротехник, член Парижской Академии наук, изобретатель прибора для измерения динамического напора (трубка Пито); А. Шези (1718…1798) – директор Французской школы мостов и дорог, сформулировавший основные показа Прикладное направление механики жидкости и газа развивалось и в других странах. Здесь можно отметить итальянского ученого, профессора Д. Вентури (1746…1822) и немецкого инженера и ученого Р.Вольтмана (1757…1837). С появлением работ М.В.Ломоносова в Петербургском институте инженеров путей сообщения стала развиваться единственная в России школа инженеров-гидравликов. В 1836г. профессором прикладной механики П.П.Мельниковым (1804…1880) был опубликован первый учебник по гидравлике, а в 18855г. им была создана первая в России учебная гидравлическая лаборатория. Приемникам П.П.Мельникова стали профессора того же института В.С.Глухов, Н.М.Соколов, П.Н.Котляревский, Ф.Е.Максименко и Г.К.Мерчинг. Значительный вклад в развитие механики жидкости иакже внесли выдающиеся русские ученые Н.П.Петров, Н.Е.Жуковский и И.С.Громека. Н.П. Петров (1836…1920) – выдающийся русский ученый, почетный член Петербургской Академии наук в фундаментальном труде «Трение в машинах и влияние на него смазывающей жидкости» (1883) впервые сформулировал законы трения при наличии смазки, теоретически обосновал гипотезу И.Ньютона о внутреннем трении в жидкости. Великий русский ученый, профессор Московского высшего технического училища и Московского университета Н.Е. Жуковский (1847…1921) разработал теорию гидравлического удара, теорию движения грунтовых вод, рассчитал подъемную силу крыла самолета и определил наивыгоднейшие профили крыльев и винта. Профессор Казанского университета И.С. Громека (1851…1889) всесторонне исследовал капиллярные явления и разработал теорию винтовых потоков, наряду с теоретическими исследованиями выполнялись и практические инженерные работы. Наряду с теоретическими исследованиями решались и практические задачи. В 1682г. во Франции на реке Сене была сооружена крупнейшая для того времени гидроэнергетическая установка, состоящая из 13 колес диаметром по 8м и проводившая более 200 насосов для подачи воды на высоту свыше 160м. Этой водой питались фонтаны Версаля и Марли.
Центробежный вентилятор в России был впервые построен в 1832 г. горным инженером А.А. Саблуковым, который он через три года успешно применил для проветривания Чигирского рудника на Алтае. В XIX веке быстро прогрессировала и разрасталась школа механики жидкости в Европе. Особо следует отметить роль французских инженеров путей сообщения Л.Навье, О.Каши, А.Сен-Венана, А.Дарси и других. Немецкий ученый Г.Хаген в 1869 г. впервые установил существование двух режимов течения жидкости. Через 11 лет Д.И.Менделеев независимо от Хагена также отметил наличие двух режимов движения жидкости, характеризующихся различными внутренними потерями энергии на трение. Наиболее полное описание этих режимов (ламинарного и турбулентного) дал в 1881-83г.г. английский физик О. Рейнальдс. Он получил критерий, позволяющий расчетным путем определить режим течения. Этот критерий в настоящее время носит имя автора. В XX веке происходит дальнейшее формирование механики жидкости и газа как целостной науки. Здесь следует отметить немецкого ученого профессора Ф. Форхгеймера (1852-1933), внесшего большой вклад в исследование гидравлических сопротивлений и фильтрации воды. Немецкий инженер, профессор Л.Прандтль (1875-1953) разработал полуэмпирическую теорию турбулентности, исследовал потери энергии в трубах, внес существенный вклад в разработку теории пограничного слоя. Русский ученый, профессор Петербургского политехнического института Б.А.Бахметьев (1880-1951) опубликовал ряд книг по механике жидкости, в которых заложил основы современной русской гидравлической школы. Немецкий ученый П. Блазиус первым показал, что для гидравлически гладких труб коэффициент гидравлического трения зависит только от числа Рейнольда. Советский ученый, академик – Н.Н.Павловский (1886-1937) разработал основы теории фильтрации воды в грунтах, издал первый в России «Гидравлический справочник». Предложенный им метод электрогидродинамических аналогий по существу является прообразом аналоговой вычислительной техники.
Значительный вклад в развитие механики жидкости и газа внесли и белорусские ученые. Во второй половине XX века профессором Белорусского политехнического института (сейчас Белорусский национальный технический университет) Метлюком Н.Ф. разработаны методы динамического расчета гидравлических и пневматических цепей. На рубеже XX и XXI веков профессором Белорусско – Российского университета В.П.Тарасиком разработаны структурно – матричный метод динамических расчетов гидравлических и пневматических макроуровневых систем, работающих как самостоятельно, так и во взаимодействии с механическими и электрическими системами.
Жидкость и газ, ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И СВОЙСВА
Строение жидкости и газа
В соответствии с молекулярно-кинетической теорией все тела состоят из молекул. Процессы, изучаемые в механике жидкости и газа, являются результатом действия огромного числа молекул. Например, нет смысла говорить о температуре одной молекулы. Когда расстояние между молекулами многократно превышает размеры самих молекул, то они двигаются независимо друг от друга, в результате столкновения их скорости и направление движения постоянно изменяются. Такие вещества называют газами. Когда расстояние между молекулами соизмеримо с размерами молекул, то взаимовлияние молекул друг на друга становится существенным. Молекулы некоторое время совершают колебательные движения около положения равновесия, затем скачкообразно перемещаются в новое положение равновесия (теория Я.И. Френкеля). Эта особенность строения лежит в основе таких свойств как вязкость и поверхностное натяжение. В механике жидкость и газ не исследуется с позиций их молекулярного строения. Жидкость и газ рассматривают как сплошную среду (континуум), лишенную молекул и межмолекулярных пространств. Для оценки справедливости применения модели сплошной среды для газа используют критерий Кнудсена:
где l – длина свободного пробега молекул, м; L – характерный размер потока жидкости (газа), м. При Kn < 0,01 гипотеза сплошности справедлива, при Kn > 0,01 происходит течение разреженных газов и гипотезу сплошности применять нельзя. Данная гипотеза подтверждена многочисленными экспериментами. Поэтому, вполне обоснованно можно считать гипотезу сплошной среды основной теорией механики жидкости и газа. 
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|
Первая гидромашина была изобретена также в Древней Греции. Это был поршневой насос, а его изобретателем считают механика Ктезибия (II–I в. до РХ). этот насос был описан Героном Александрийским в I веке до РХ в труде «Пневматика». Ему также принадлежит описание сифона, водяного органа, автомата для отпуска жидкости.
К периоду Ренессанса относятся работы нидерландского математика, механика Симона Стевина(1548…1620). В трактате «Начало гидростатики» (1585) он определил величину гидростатического давления на стенки и дно сосуда.
К началу XVII века механика жидкости и газа как наука все еще находилась в зачаточном состоянии, но непрерывный процесс развития данной науки, начатый великим Леонардо да Винчи продолжался. Здесь можно отметить имена следующих ученых: Бенетто Кастелли (1577…1644) – в понятной форме изложил принцип неразрывности потока жидкости; Эванджелиста Торичелли (1608…1647) – получил зависимость скорости истечения жидкости через отверстие в сосуде от уровня жидкости и изобрел ртутный барометр.
Рассматривая историю развития механики жидкости и газа, следует отметить, что путь формирования современных научных знаний был достаточно длительным. Так вопрос о вакууме осознавался человечеством на протяжении 2 тыс. лет: от Аристотеля, неверно осветившего этот вопрос, до Б.Паскаля. Аристотель утверждал, что "природа боится пустоты". В средние века истинность учения Аристотеля была установлена практически в законодательном порядке (даже в XVII веке за выступление против Аристотеля во Франции можно было попасть на каторгу). Например, в те времена считалось, что ядро летит в воздухе потому, что изготовитель вложил в него соответствующую силу. Аристотель учил, что летящую стрелу приводит в движение воздух. По вопросу о пустоте приводился классический пример: вода, поднимающаяся вслед за поршнем, не дает образоваться пустому пространству. Но при сооружении фонтанов во Флоренции с этим примером произошел казус. Обнаружилось, что вода "не желает" подниматься выше 34 футов (10,3 метра). Основные положения о неразрывности течения жидкости рассматривались 1,5 тыс. лет от С. Фронтина до Б. Кастелли. Это объясняется тем, что к тому времени не были сформулированы основные положения и понятия физики: масса и сила, инерция, давление атмосферы, законы сохранения энергии, количества движения всемирного тяготения и т.д. Только освоив эти фундаментальные положения, можно легко разобраться в основных положениях механики жидкости и газа.
Здесь он вывел знаменитое уравнение, связывающее скорость, давление и вертикальную координату потока жидкости. Это уравнение, носящее имя автора, является не только основным уравнением гидродинамики, но и газовой динамики.
Великий математик и механик Леонард Эйлер (1707…1783) жил и работал в Петербурге с 1727 по 1741г.г. и с 1766г. до конца жизни. Был членом Петербургской Академии наук. Эйлер с помощью строгого математического аппарата обобщил работы предшественников. В фундаментальном труде «Общие начала равновесия и движения жидкости» (1755) им выведены дифференциальные уравнения равновесия и движения идеальной жидкости, носящие в настоящее время имя автора.
Французский химик и физик Жозеф Луи Гей-Люссак (1778…1850) в 1802г. сформулировал закон теплового расширения газов.
Французский физик и инженер Бенуа Клапейрон (1799…1864) вывел уравнение состояния идеального газа, объединив законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссака. Большой интерес представляют работы итальянского физика и химика Амедео Авогадро (1776…1856), который в 1811 г. сформулировал известный закон: моли любых газов при одинаковой температуре и давлении занимают одинаковые объемы.
тели подобия потоков и обосновавший формулу для расчета скорости движения жидкости в открытых руслах; Ж. Борда (1733…1799) – военный инженер, исследовал истечения жидкости из отверстий и насадков и определивший потери напора при внезапном расширении потока; П.Дюбуа (1734…1809) – военный инженер-гидротехник, написавший обобщающий труд «Принципы гидравлики».
Во второй половине XVIII века под руководством русского изобретателя – самоучки К.Д.Фролова были построены уникальные гидротехнические сооружения для откачки воды на серебряных рудниках Алтая, подъема руды из шахт и привода лесопилки.
Глубокие теоретические и экспериментальные исследования в области механики жидкости и газа в XX веке также проведены И.И.Агроскиным, А.И.Богомоловым, М.А.Великановым, Л.Г.Лойцянским, Д.Тейлором, А.Н.Колмогоровым, С.А.Христиановичем, Р.Р.Чугаевым, Г.А.Муриным, Т.А.Башта, Ф.А.Шевелевым, А.Д.Альтшулом, Б.Б.Некрасовым и многими другими.
,