1. Вводные сведения

1.1. Предмет механики жидкости и газа

Механика, являясь частью физики, рассматривает три состояния тел: твердое, жидкое и газообразное. Жидкости и газы, являющиеся объектом изучения в гидромеханике, обладают двумя основными свойствами: сплошностью и легкой подвижностью, или текучестью. Первое свойство присуще не только жидкостям и газам, но и твердым телам, в то время как легкая подвижность, или текучесть, свойственна лишь жидкостям и газам.

Из физики известно, что все тела состоят из постоянно движущихся молекул, что молекулы при своем движении взаимодействуют между собой. Механика не занимается изучением движения отдельных молекул и считает, что в жидкостях и газах все пространство непрерывно занято веществом. Для газов, у которых длина свободного пробега молекул существенно зависит от температуры и давления, условия сплошности выражаются в том, что линейные характерные размеры области течений велики по сравнению с длиной свободного пробега молекул. Из этих же условий определяется понятие элементарного объема жидкости или газа. Линейные размеры элементарного объема должны быть достаточно большими по сравнению с длиной свободного пробега молекул газа или амплитудой колебательного движения молекул жидкости и достаточно малыми по сравнению с линейными размерами, характеризующими движение. Следовательно, сплошность определяется не абсолютным состоянием жидкости и газа, а отношением параметров среды (длина свободного пробега для газов и амплитуда колебания молекул для жидкости) к линейным размерам, характеризующим потоки.

В твердых телах для смещения одного слоя относительно другого требуется приложить некоторую конечную силу, которая согласно закону Гука пропорциональна деформации. В случае же жидкостей или газов соответствующая сила пропорциональна относительной скорости деформации. Это свойство называется легкой подвижностью, или текучестью.

Этим объясняется тот факт, что движение жидкости в трубопроводе должно начинаться уже при сколь угодно малой разности давлений. Жидкости, обладающие таким свойством, называются ньютоновскими жидкостями. Заметим, что существуют и неньютоновские жидкости (коллоидные растворы, битум и др.), не обладающие такими свойствами; они так же, как и сыпучие тела (песок, зерно и пр.), изучаются в науке о текучести вещества, называемой реологией.

В жидкостях и газах, обычно изучаемых в гидродинамике, сухого трения нет, поэтому любая сколь угодно малая касательная сила вызовет смещения одного слоя относительно другого. Имея очень малое сопротивление касательным силам, газы и особенно жидкости оказывают значительное сопротивление деформации всестороннего сжатия.

Механика жидкостей и газов так же, как и механика, делится на кинематику, динамику и статику. Часть гидромеханики, изучающая геометрические свойства движения в зависимости от времени и не касающаяся причин, вызывающих движение, называется кинематикой жидкостей. Часть механики, занимающаяся изучением движения жидкостей в зависимости от действующих сил, называется динамикой. Динамика жидкости устанавливает общие законы движения. Частным случаем движения является равновесие жидкости. Часть механики, изучающая условия равновесия, называется гидростатикой.

Науку о законах равновесия и движения жидкостей и о способах приложения этих законов к решению практических задач называют гидравликой. В гидравлике рассматривают, главным образом, потоки жидкости, ограниченные и направленные твердыми стенками. Таким образом, можно сказать, что в гидравлике изучают в основном внутренние течения жидкостей и решают так называемую внутреннюю задачу в отличие от внешней, связанной с внешним обтеканием тел сплошной средой, которое имеет место при движении твердого тела в жидкости или газе (воздухе).

Метод, используемый в современной гидравлике при исследовании движения, заключается в следующем. Исследуемые явления сначала упрощают и к ним применяют законы теоретической механики. Затем полученные результаты сравнивают с данными опытов, выясняют степень расхождения, уточняют и исправляют теоретические выводы и формулы для приспособления их к практическому использованию. Целый ряд явлений, крайне трудно поддающихся теоретическому анализу из-за сложности, исследуют экспериментальным путем, а результаты представляют в виде эмпирических формул.

Гидравлика дает методы расчета и проектирования разнообразных гидравлических устройств, применяемых во многих областях техники. Особенно велико значение гидравлики в машиностроении, где приходится иметь дело с закрытыми руслами (например, трубами) и напорными течениями в них, т.е. с потоками без свободной поверхности и с давлением, отличным от атмосферного. Гидросистемы, состоящие из насосов, трубопроводов, различных гидроагрегатов широко используют в машиностроении в качестве силовых, технологических систем, систем жидкостного охлаждения, топливоподачи, смазочных, и др.