Наука гидродинамика: от древних цивилизаций до наших дней

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.

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).

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.