История гидравлики кратко

У древних народов, населявших Египет, Вавилон, Месопотамию, Индию, Китай и другие страны, гидравлика была не наукой, а ремеслом. То есть определенные гидротехнические работы проводились, а вот попыток сделать научные обобщения наблюдаемых явлений не было.

Период Древней Греции

Архимедов винт [1]
Принцип действия винта Архимеда
Принцип действия винта Архимеда [2]

В Греции еще за 250 лет до н. э. начали по­являться трактаты, в которых выполнялись достаточно серьезные для того времени теоретические обобщения отдельных вопросов механики жидкости. Математик и механик того времени Архимед (ок. 287 — 212 гг. до н. э.) оставил после себя анализ вопро­сов гидростатики и плавания. За истекшее время к труду Архимеда, посвященному гидростатике, мало что удалось добавить.

Представитель древнегреческой школы Ктесибий (II или I век до н. э.) изобрел пожарный насос, водяные часы, водяной орган. Герон Александрийский (вероятно, I век н. э.) описал сифон, автомат для отпуска жидкости и другие изобретения.

водяной орган принцип действияАвтомат для выдачи вина
Сифон [2]Водяной орган [3]Автоматы для выдачи воды и вина [4]

Период Древнего Рима

Римский акведук [5]

Римляне заимствовали многое у греков. В Древнем Риме строились сложные для того времени гидротехнические сооружения: акведуки, системы водоснабжения и т. п. По имеющимся сведениям общая длина водопроводных линий Рима составляла более 400 км. Можно предполагать, что римляне уже обращали внимание на наличие связи между площадью живого сечения и уклоном дна русла, на сопротивление движению воды в трубах, на неразрывность движения жидкости. Например, Фронтин писал, что количество воды, поступившей в трубу, должно равняться количеству воды, вытекающей из нее (уравнение неразрывности Q = ωv, смотрите статью про движение жидкости)

Период Средних веков

В области механики жидкости – регресс, как и во многих других направлениях.

Туалет в средневековом замке [6]

Эпоха Возрождения

В течение второй половины XV века и в XVI веке начали развиваться экспериментальные исследования. В этот период в Италии появилась гениальная личность — Леонардо да Винчи (1452 — 1519), который, как известно, вел свои научные (экспериментальные и теоретические) исследования в самых различных областях; в частности, Леонардо изучал принцип работы гидравлического пресса, аэродинамику летательных аппаратов, образование водо­воротных областей, отражение и интерференцию волн, истечение жидкости через отверстия и водосливы и другие гидравлические вопросы. Он изобрел центробежный насос, пара­шют, анемометр (прибор для измерения скорости движения газа). Различные работы Леонардо отражены в 7 тысячах страниц его рукописей, сохранившихся до наших дней.

К периоду Возрождения относятся работы голландского математика — инженера Симона Стевина (1548 — 1620), определившего величину гидростатического давления на плоскую фигуру, и описавшего «гидростатический парадокс» (из-за того, что Стевин писал на малоизвестном голландском языке, в дальнейшем, французский ученый Блез Паскаль описал этот парадокс повторно).   В этот же период великий итальянский физик, механик и астроном Галилео Галилей (1564—1642) показал, что гидравлические сопротивления возрастают с увеличением скорости и с возрастанием плотности жидкой среды; он разъяснял также вопрос о вакууме.

Период 17 века и начало 18 века

В это время механика жидкости все еще находилась в зачаточном состоянии. Вместе с тем здесь можно отметить имена следующих ученых, способствовавших ее развитию:

Бенедетто Кастелли (1577 — 1644) — преподаватель математики в Пизе и Риме — в ясной форме изложивший принцип неразрывности потока.

Эванджелиста Торричелли (1668 — 1647) — выдающийся математик и физик — дал фор­мулу расчета скорости истечения жидкости из отверстия и изобрел ртутный барометр;

Блез Паскаль (1623 — 1662) — выдающийся французский математик и физик — установил, закон изменения давления в жидкости

Исаак Ньютон (1643 — 1727)— гениальный английский физик, механик, астроном и математик — давший наряду с решением ряда гидравлических вопросов приближенное описание за­конов внутреннего трения жидкости.

Середина и конец 18 века

Спустя 2 тысячи лет были решены базовые вопросы гидравлики, преодолены предрассудки, оспорены метафизические объяснения различных явлений. После этого относительно быстро начали создаваться современные научные основы механики жидкости. Эти научные основы были заложены тремя учеными 18 века: Д. Бернулли, Эйлером и Д’Аламбером.

Даниил Бернулли
Даниил Бернулли

Даниил Бернулли (1700 — 1782) – выдающийся швейцарский физик и математик. С 1725 по 1733 гг. жил и работал в Санкт-Петербурге, был профессором Петербургской Академии наук, и здесь же написал свой труб «Гидродинамика». Уравнение Бернулли является ключевым для описания движения жидкости.

Леонард Эйлер (1707 — 1783)  – великий швейцарский математик и физик также был членом Петербургской Академии наук. Он составил дифференциальные уравнения равновесия и движения жидкости.

Жан Лерон Д’Аламбер (1717 — 1783) – выдающийся французский математик и философ. Опубликовал ряд трактатов, относящихся к равновесию и движению жидкости. Предполагается, что Д’Аламбер первый отметил возможность кавитации жидкости.

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

Примерно в то же время, наряду с Эйлером, Бернулли и Д’Аламбером зарождается техническое (при­кладное) направление механики жидкости. В середине и конце 18 века особая школа ученых-инженеров образовалось во Франции. Она рассматривала гидравлику как отрасль техники. Её яркими представителями были:

Анри Питó (1695 – 1771) – изобретатель «трубки Пито» (прибор для измерения полного напора жидкости);

Антуан де Шези (1718 – 1798) – ему принадлежит знаменитая формула Шези Это формула для расчета безнапорного движения жидкости, основная формула для расчета канализации – связывает между собой скорость движения потока, геометрические параметры русла, уклон русла и шероховатость стенок и дна (через Коэффициент Шези).

Жан-Шарль де Борда (1733 – 1799) – военный инженер, занимавшийся истечением жидкости из отверстий.

Трубка Вентури [7]. Из-за уменьшения сечения увеличивается скорость потока. Часть потенциальной энергии переходит в кинетическую форму. Давление уменьшается. Чем больше скорость — тем больше разница давления. Так, по разнице давлений (уровни воды в пьезометрах) можно судить о расходе жидкости

Из представителей других стран следует отдельно отметить итальянского профессора Джованни Вентури (1746 – 1822). Он известен своим «прибором Вентури» (трубка Вентури, расходомер Вентули) для измерения расхода жидкости по перепаду давления.

Вне зависимости от формирования технической механики жидкости в странах Западной Европы гениальный русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов (1711 — 1765), учитывая рост промышленности и строительства в России, начал также развивать механику жидкости в техническом направлении.

Развитие технической механики жидкости (гидравлики) в 19 веке за рубежом

Зародившееся во Франции техническое (то есть гидравлическое) направление механики жидкости быстро начато развиваться как в самой Франции, так и в других странах. В этот период были разработаны или решены сле­дующие проблемы:

— основы теории плавно изменяющегося неравномерного движения жидкости в открытых руслах (Беланже, Кориолис, Сен-Венан, Дюпюи, Буден, Бресс, Буссинеск); — вопрос о гидравлическом прыжке (Бидоне, Беланже, Бресс, Буссинеск);

— вопрос о гидравлическом прыжке (Бидоне, Беланже, Бресс, Буссинеск);

— экспериментальное определение параметров, входящих в формулу Шези (Базен, Маннинг, Гангилье, Куттер);

— составление эмпирических и полуэмпирических формул для определения гидравлических сопротивлений в различных случаях (Кулон, Хаген, Сен-Венан, Пуазейль, Дарси, Вейсбах, Буссинеск);

— открытие двух режимов движения жидкости: ламинарный и турбулентный (Хаген, Рейнольдс);

— получение так называемых уравнений Навье—Стокса (система дифференциальных уравнений движения реальной жидкости), а также уравнений Рейнольдса на основе использования модели осредненного турбулентного потока (Сен-Венан, Рейнольдс, Буссинеск);

— установление принципов гидродинамического подобия, а также критериев подобия (Коши, Риич, Фруд, Гельмгольц, Рейнольдс);

— основы учения о движении грунтовых вод (Дарси, Дюпюи, Буссинеск);

— теория волн (Герстнер, Сен-Венан, Риич, Фруд, Стокс, Гельмгольц, Базен, Буссинеск);

— вопросы истечения жидкости через водосливы и отверстия (Беланже, Кирхгоф, Базен, Буссинеск, Борда, Вейсбах);

— взвесенесущие потоки (Фарт, Дюпюи);

— неустановившееся движение (Сен-Вснан, Буссинеск, Дюпюи).

Зарождение и развитие технической механики жидкости (гид­равлики) в 19 веке в России.

Прикладное, инженерное направление механики жидкости, зародившееся у нас еще в работах М. В. Ломоносова (см. выше), стало развиваться в России в 19 веке в стенах Петербургского института инженеров путей сообщения (сейчас — ПГУПС). В этом институте долгое время существовала единственная гидравлическая школа России. Ученые этого института только в начале своей деятельности следовали французской гидравлической школе. Особо следует выделить Павла Петровича Мель­никова (1804 —1880) — инженера путей сообщения, профессора прикладной механики, почетного члена Петербургской Академии наук. Министра путей сообщения, который создал первый на русском языке курс «Основания практической гидравлики…», а также организовал в 1855 г. первую в России учебную гидравлическую лабораторию.

Большой вклад внесли в развитие гидравлики следующие русские ученые и инженеры:

Николай Павлович Петров (1836 —1920) — выдающийся русский ученый-инженер, почетный член Петербургской Академии наук (инженер-генерал-лейтенант, товарищ Министра путей сообщения), который в своем труде «Трение в машинах и влияние на него смазы­вающей жидкости» (1883 г.) впервые сформулировал законы трения при наличии смазки;

Николай Егорович Жуковский (1847—1921) — великий русский ученый, профессор Московского высшего технического училища и Московского университета, член-корреспондент Петер­бургской Академии наук, создатель теории гидравлического удара, исследовавший также многие другие вопросы механики жидкости;

Ипполит Степанович Громека (1851 — 1889) — профессор Казанского университета, разрабатывавший теорию капиллярных явлений и заложивший основы теории, так называемых, винтовых потоков.

Развитие технической механики жидкости (гидравлики) в об­ласти инженерно-строительных специальностей в течение первых десятилетий 20 века.

В начале 20 в. в гидравлике наметилось много самых различных научных направлений, которые можно классифицировать по разным признакам, например:

а) по виду рассматриваемой текучей среды; здесь можно различать воду, воздух, нефть, разные двухфазные жидкости, так называемые, неньютоновские и аномальные жидкости, электропроводящую или магнитную среду, плазму; сюда можно отнести стратифицированные потоки и г. п.;

б) в зависимости от отрасли техники или отрасли знаний, где используется аппарат гидромеханики, можно различать: аэронавтику, судостроение, гидромашиностроение, инженерно-строительное дело (в частности, гидротехнику), баллистику, гидроавтоматику, химическую технологию, метеорологию, океанологию и т. п.;

в)  можно различать отдельные гидромеханические теории, которые иногда полагаются в основу решения задач, относящихся к различным областям техники: теорию турбулентности; задачи неустановившегося, в частности, волнового движения; теорию смазки и ламинарного движения; теорию движения жидкости (в частности, нефти и газа) в пористых средах и т. п.

В связи со сказанным в начале в конце 19 века из технической механики жидкости начали выделяться отдельные, иногда в значительной мере изоли­рованные друг от друга направления.

Отметим самых ключевых деятелей механики жидкости этого периода:

Людвиг Прандтль (1875 — 1953) — немецкий профессор, инженер — разработал (наряду с Тейлором и Карманом) полуэмпирическую теорию турбулентности; исследовал гидравлические сопротивления в трубах. С именем Прандтля связан ряд понятий из области механики жидкости. Основополагающими являются работы Прандтля в области теории пограничного слоя.

Николай Николаевич Павловский (1886 – 1937) — советский ученый, академик, инженер пу­тей сообщения — в 1922 г. опубликовал основы математической теории фильтра­ции воды в грунтах; предложил метод электромоделирования фильтрационных потоков (метод ЭГДА); издал первый в России «Гидравлический справочник» и монографию по основам гидравлики; решил ряд гидравлических задач, относящихся к инженерно-строительной гидравлике. Н. Н. Павловский создал научно-педагогическую школу в области гидравлики на базе общеинститутской кафедры гидравлики Ленин­градского политехнического института.

Говоря о развитии гидравлики во второй половине 20 века, в 21 веке, необходимо отметить, что все проводимые исследования касаются все и более и более узких, специализированных вопросов.

В качестве одного из перспективных направлений настоящего времени стоит выделить гидравлическое моделирование с использованием программных комплексов, например ANSYS и других подобных математических пакетов.

Материал был составлен, опираясь на учебник Р.Р. Чугаева «Гидравлика» 1982 г. (изд.2005 г.).

Изображения были заимствованы из следующих источников:

1 https://azbukametalla.ru/entsiklopediya/a/arkhimedov-vint.html

2 https://wikipedia.org

3 https://www.popadancev.net/vodyanoj-organ-gidravlos/

4 https://irina-web.3dn.ru/index/vklad/0-126

5 https://jw.org

6 https://zen.yandex.ru/media/proekt/chem-otlichaiutsia-tualety-na-nashih-dachah-ot-tualetov-v-srednevekovyh-zamkah-5c88b7f4c35b2c00b3aedf01

7 https://studme.org