- •Гидравлика
- •Введение
- •1.2. XVII — начало XVIII века
- •1.3. Середина и конец XVIII века
- •1.4. Гидравлическая школа Франции
- •1.6. Зарождение и развитие гидравлики в России
- •2. Физические свойства жидкости
- •2.1. Предмет «Гидравлика». Основные понятия. Модели жидкой среды
- •2.2. Плотность
- •2.3. Удельный вес
- •2.4. Вязкость
- •2.5. Адсорбция и кавитация
- •Гидростатика
- •3. Гидростатическое давление
- •3.1 Силы, действующие в жидкости
- •3.2 Гидростатическое давление и его свойства
- •3.3. Дифференциальные уравнения равновесия жидкости (уравнения Эйлера)
- •4.2. Свободная поверхность покоящейся тяжелой жидкости (при абсолютном покое)
- •4.3. Свободная поверхность при равноускоренном прямолинейном движении жидкости в сосуде (при относительном покое)
- •4.4. Свободная поверхность жидкости, равномерно вращающейся (вместе с сосудом) относительно вертикальной оси
- •5. Основное уравнение гидростатики в простой форме
- •5.1. Закон Паскаля
- •5.2. Абсолютное и манометрическое давление
- •5.3. Пьезометрическая высота
- •5.4. Вакуумметрическая высота
- •6. Простейшие гидростатические машины
- •6.1. Гидравлический пресс
- •6.2. Мультипликатор
- •7. Приборы для измерения давления жидкости
- •7.1. Классификация приборов
- •1) По характеру измеряемой величины различают:
- •2) По принципу действия приборы различают:
- •7.2. Жидкостные приборы
- •7.2.1. Ртутный барометр
- •7.2.2. Пьезометр
- •7.2.4. Чашечный манометр
- •7.2.5. Вакуумметр
- •7.2.6. Дифференциальный манометр
- •7.2.7. Микроманометр
- •7.2.8. Преимущества и недостатки жидкостных приборов
- •7.3. Пружинные приборы
- •7.3.1. Манометр с одновитковой трубчатой пружиной
- •7.3.2. Вакуумметр с одновитковой трубчатой пружиной
- •7.3.3. Приборы с мембранной пружиной
- •7.3.4. Преимущества и недостатки пружинных приборов
- •7.4. Поршневые приборы. Грузопоршневой манометр
- •7.5. Электрические приборы
- •Гидродинамика
- •8. Основные понятия в гидродинамике
- •8.1. Задачи и методы гидродинамики
- •8.2. Виды движения жидкости
- •8.3 Понятие о струйчатом движении жидкости
- •8.4. Гидравлические элементы потока
- •8.5. Уравнение постоянства расхода (уравнение неразрывности)
- •9. Уравнение бернулли и его применение в гидравлических расчетах
- •9.1. Уравнение Бернулли
- •9.2. Потери напора
- •9.3. Применение уравнения Бернулли в технике
- •9.4. Расходомер Вентури
- •9.5. Измерительная шайба
- •9.6. Струйный насос (эжектор)
- •9.7. Трубка Пито
- •9.8. Потери напора при равномерном движении
- •10. Определение потерь напора
- •10.1. Режимы движения вязкой жидкости
- •10.2. Местные сопротивления и потери энергии в них
- •10.3. Внезапное расширение трубы
- •10.4. Постепенное расширение. Диффузоры
- •10.5. Внезапное сужение трубы
- •10.6. Постепенное сужение трубы
- •10.7. Поворот трубы
- •10.8. Другие местные сопротивления
- •10.9. Потери напора в гидравлических системах
- •11.2. Расчет простого трубопровода
- •11.3. Примеры расчета трубопроводов
- •Гидроприводы
- •12. Гидравлические машины
- •12.1. Классификация насосов
- •12.2. Основные рабочие параметры насосов
- •12.3. Центробежные насосы
- •12.4. Схема и принцип действия центробежного насоса
- •12.5. Допустимая высота всасывания. Явление кавитации
- •12.6. Шестеренчатые насосы
- •13. Гидроприводы и гидропередачи
- •13.1. Назначение, достоинства и недостатки гидропривода
- •13.2. Устройство и принцип действия гидропривода
- •13.3. Принцип расчета объемного гидропривода
- •13.4. Жидкости, применяемые в гидросистемах
- •Задача 3
- •Решение.
- •Задача 4
- •Решение.
- •Задача 5
- •Решение.
- •Задача 10
- •Решение.
- •Задача 11
- •Решение.
- •Задача 12
- •Решение.
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
- •Гидравлика
1.4. Гидравлическая школа Франции
В этот же период (середина и конец XVIII века) зарождается техническое (прикладное) направление механики жидкости. Наряду с учеными-теоретиками (Д.Бернулли, Л. Эйлер, Ж. Д'Аламбер и др.), сформировавшими теоретические (математические) основы современной механики жидкости, во Франции начала постепенно образовываться особая школа - школа ученых-инженеров, которые стали формировать механику как техническую (прикладную) науку.
В 1716 г. во Франции было основано специальное заведение «Эколь де пон э шоссе" (школа мостов и дорог), в котором большое внимание уделялось изложению и развитию курса инженерной гидравлики, что предопределило в дальнейшем приоритет мостостроителей и гидротехников в решении прикладных задач.
Рассматривая гидравлику как отрасль техники, а не математики, представители этой школы ввели преподавание механики жидкости в технические учебные заведения. Яркими представителями этой школы были: А. Пито (1695-1771гг.) - инженер-гидротехник, член Парижской Академии наук, изобретатель скоростной трубки "прибора Пито"; А. Шези (1718-1798 гг.) - директор французской школы мостов и дорог, сформировавший параметры подобия потоков и обосновавший формулу скорости равномерного движения жидкости, носящую его имя; Жан Шарль Борда (1733-1799 гг.) - военный инженер-геодезист, который занимался вопросами истечения жидкости через отверстия, обобщенными в работе "Опыт по сопротивлению жидкости"; в 1766 г. он вывел формулу для определения потерь напора при внезапном расширении потока, названную его именем; П. Дюбуа (1734— 1809 гг.) - инженер-гидротехник и военный инженер, составивший обобщенный труд "Принципы гидравлики" исследовавший движение наносов в реках.
Гидравлическая школа Франции прогрессировала и разрасталась, причем к ней присоединились ученые и инженеры других стран, такие как - Д. Вентури (Италия), Р. Вольтман (Германия), О. Рейнольде (Англия) и др.
Джованни Баттиста Вентури (1746-1822 гг.) — итальянский ученый. С 1773 г. профессор в университете в Модене, затем в Павии. Наиболее известны работы Д. Вентури в области гидравлики. В 1797 г. опубликовал на французском языке исследование об истечении воды через короткие цилиндрические и расходящиеся насадки (насадки Вентури). В 1887 г. американским ученым К. Гершелем был предложен водомер, названный именем Вентури. Известна трубка Вентури для измерения, скорости в воздушном и водном потоках и для создания вакуума в авиационных гироскопах.
Р. Вольтман (1757-1837 гг.) - немецкий ученый-инженер изобрел вертушку для измерения скоростей течения воды в реках и каналах, что привело к накоплению знаний в изучении режима рек.
Осборн Рейнольде (1842-1912 гг.) - английский физик и инженер, член Лондонского Королевского общества, профессор Манчестерского университета. С 1888 г. возглавил Витвортовскую инженерную лабораторию. Основные труды — по теории динамического подобия течений вязкой жидкости, по теории турбулентности и теории смазки. О. Рейнольдс исследовал вопросы гидравлики с позиций инженера. В 1876-1883 гг. экспериментально установил критерий перехода ламинарного течения в цилиндрических трубах в турбулентное. Предложил дифференциальные уравнения для осредненного движения жидкости, учитывающие дополнительные напряжения (турбулентные напряжения). Внес большой вклад в развитие гидродинамической теории смазки. Исследовал также явление кавитации на лопасти вращающегося винта, групповую скорость распространения волн на свободной поверхности воды, теплопередачу от твердых стенок к жидкости и др.
1.5. XIX—XX века
Развитие производительных сил в XIX веке поставило новые вопросы, которые теоретическая гидромеханика идеальной жидкости уже не могла решать. Надо было переходить к изучению движения реальных жидкостей. Эта задача была до некоторой степени решена Луи Мари Навье (1785-1836 гг.) - видным французским инженером и механиком, членом Парижской Академии наук, профессором Политехнической школы Парижа, который на основе гипотезы И. Ньютона о силе внутреннего трения впервые в 1824 г. вывел дифференциальные уравнения движения вязкой жидкости.
Дифференциальные уравнения Л. Навье были упрощены Джорджем Габриелем Стоксом (1819-1903 гг.), английским физиком и математиком, профессором Кембриджского университета. Однако эти уравнения из-за значительных математических трудностей оказалось возможным применить лишь для простейших случаев движения жидкостей. Таким образом, эти уравнения гидромеханики также нельзя было использовать для решения конкретных инженерных задач.
Вопросам исследования вязких жидкостей посвящены работы французских ученых А. Сен-Венана и Ж. Пуазейля.
Адемар Жан Клод Барре де Сен-Венан (1797-1886 гг.) - французский ученый в области механики, член Парижской Академии наук, преподаватель в Школе мостов и дорог в Париже. Основные труды - по теории упругости, сопротивлению материалов и гидромеханике. Работы А. Сен-Венана по гидромеханике посвящены сопротивлениям течению в трубах и каналах, гравитационным волнам, установившемуся и неустановившемуся движениям жидкости в открытых руслах, стечениям газов, общим уравнениям вязкой жидкости.
Жан Луи Мари Пуазейль (1799-1869 гг.) - французский врач, изучавший вопросы кровообращения и дыхания. Интерес к проблемам кровообращения привел Ж. Пуазейля к гидравлическим исследованиям. В 1840-1941 гг. он экспериментально установил закон истечения жидкости через тонкую цилиндрическую трубку при ламинарном режиме. Именем Пуазейля названа единица динамической вязкости жидкости (1 пуаз = 0,1 • Н • с/м2).
Значительный вклад в техническую механику жидкости при изучении сопротивлений движению жидкостей внесли А. Дарси, Ю. Вейсбах, Л. Прандтль и др.
Анри Филибер Гаспар Дарси (1805-1858 гг.) - французский инженер и исследователь. Занимался вопросами движения воды в трубах, установил (1849 г.) фундаментальный закон (закон Дарси) ламинарного движения грунтовых вод. Известен также работами в области сопротивлений движению жидкости при определении потерь напора по длине потока (формула Дарси-Вейсбаха).
Юлиус Вейсбах (1806-1871 гг.) - преподаватель прикладных математических наук во Фрейберге (Германия). Автор ряда работ по гидравлике и геодезии. Опубликовал в 1845 г. трехтомный труд "Учебник по механике сооружений и машин", содержащий ряд важных результатов по прикладной гидродинамике. В основном известен работами в области сопротивлений движению жидкости е трубах при определении потерь напора по длине (формула Дарси-Вейсбаха) и местных потерь напора (формула Вейсбаха) (1854 г."),
Людвиг Прандтль (1875-1953 гг.) - один из крупней- ших немецких гидроаэродинамиков XX века. Занимался теорией упругости и другими вопросами механики. Наиболее значительные результаты получил в области течений вязких жидкостей и газов. Создал полуэмпирическую теорию турбулентности, нашедшую широкое применение. Получил фундаментальные результаты в теории пограничного слоя, проявив при этом уникальную физическую интуицию и глубокое понимание сущности явлений. В Геттингенском университете (Германия) создал школу гидроаэродинамики, которая известна крупными научными достижениями.
Широко известны проведенные И. И. Никурадзе, сотрудником Л. Прандтля, экспериментальные исследования течения жидкости в латунных трубах с гладкой и искусственно созданной "зернистой" шероховатостью. Искусственная однородная шероховатость создавалась песчинками одинакового размера, наклеенными с помощью лака на внутреннюю поверхность трубы. При обработке экспериментальных данных И. И. Никурадзе (1933 г.) построил универсальный график зависимости коэффициента гидравлического трения от числа Рейнольдса Re и относительной шероховатости d/ (где d - диаметр внутренней трубы и - величина шероховатости трубы). Аналогичные исследования для натуральной шероховатости труб были проведены Г. А. Муриным в 1948 г. во Всесоюзном теплотехническом институте (ВТИ).
Интересные исследования в области движения жидкостей были проведены немецкими учеными Г.Гельмгольцем и Г. Кирхгофом.
Герман Людвиг Фердинанд Гельмголъц (1821—1894 гг.) - немецкий физик, математик, физиолог и психолог, профессор физики Берлинского университета, директор физико-технического института в Берлине. Имея медицинское образование, выполнил ряд выдающихся исследований по физике, механике и физиологии. В 1847 г. в работе "О сохранении силы" Г. Гельмгольц впервые дал математическое обоснование закона сохранения энергии в живых организмах. Заложил основы теории вихревого движения жидкости (1858 г.).
Густав Роберт Кирхгоф (1824-1887 гг.) - один из крупных ученых XX века, немецкий физик, член Берлинской Академии наук, чл.-корр. Петербургской Академии наук (1862 г.), занимался главным образом вопросами деформации, равновесия и Движения упругих тел, течения жидкостей. Развил идеи Г. Гельмгольца в области теории вихревого движения жидкости.
Заслуживают большого внимания исследования У. Фруда, Ж. Буссинеска, Г. Ламба, Т. Кармана, Д. Тейлора и др.
Уильям Фруд (1810-1879 гг.) - английский инженер, занимавшийся исследованиями сопротивления воды движению судов. Исследовал теорию подобия и критерий, предложенный Ранчем, но получивший известность как "критерий Фруда". У.Фруду принадлежит также исследование пограничного слоя жидкости.
Жозеф Валантен Буссинеск (1842-1929 гг.) - французский механик, член Парижской Академии наук, профессор Рижского университета, автор ряда выдающихся работ по гидродинамике, термодинамике, теории упругости. Наиболее важен предложенный Ж. Буссинеском метод определения напряжений и деформаций в полубесконечной среде, находящейся под действием заданных сил, приложенных к ее граничной плоскости. Изучал турбулентные течения, волны в открытых руслах, гидравлический прыжок, гидравлические сопротивления, фильтрацию. Внес значительный вклад в развитие прикладной гидромеханики.
Г. Ламб (1849-1934 гг.) - английский механик, автор ряда |работ по гидромеханике и теории упругости (теория приливов, звуковые волны, движение тел с полостями, заполненными жидкостью и др.).
Теодор фон Карман (1881-1963 гг.) - выдающийся гидромеханик нашего времени, американский ученый в области механики, член Лондонского Королевского общества и других АН и научных обществ. В 1930-1949 гг. - директор Гуггейхеймовской аэролаборатории Калифорнийского технологического института (США). Наряду с трудами по самолетостроению, прикладной математике, сопротивлению материалов, строительной механике Т. Карману принадлежит ряд исследований по вопросам пограничного слоя, гидравлических сопротивлений, вихревых движений газогидравлической аналогии и др.
Джефри Ингрим Тейлор (1886-1975 гг.) - английский ученый в области механики, член Лондонского Королевского общества, иностранный член АН СССР и многих других академий мира. Д. Тейлор внес фундаментальный вклад в теорию турбулентности: развил теорию устойчивости течений вязкой жидкости, теорию турбулентной диффузии, создал полуэмпирическую теорию турбулентности, исследовал однородную и изотропную турбулентность.