1.2. Краткие исторические сведения о развитии науки

Гидравлика как самостоятельная наука возникла в ХУШ веке. Ее начало было положено трудами академиков Российской Академии наук М.В. Ломоносовым (1711-1765), Леонардом Эйлером (1707-1783), Даниилом Бернулли (1700-1782). М.В. Ломоносов впервые сформулировал всеобщий закон сохранения материи и энергии, а также провел ряд исследований по вопросам механики жидкости. Л. Эйлер вывел уравнения равновесия и движения жидкости, стал основоположником классической гидромеханики. Д. Бернулли установил связь между составляющими удельной энергии в потоке жидкости и выполнил целый ряд работ по исследованию ее движения. В ХIХ и начале XX века были выполнены фундаментальные исследования, заложившие основы инженерной гидравлики. В этот период теоретические обобщения стали проводиться в тесной связи с экспериментальными данными. Н.П. Петров (1836-1920) опубликовал свои работы по гидродинамической теории смазки, экспериментально подтвердил гипотезу И. Ньютона о касательном напряжении в жидкости. Д.И. Менделеев (1834-1907) впервые предсказал существование двух режимов течения жидкости, которое позднее экспериментально подтвердил английский физик Р.Рейнольдс (1842-1912). Развитию гидравлики как науки в значительной степени способствовали работы Н.Е. Жуковского (1847-1921) и целой группы учеников его школы. Н.Е. Жуковским была разработана теория гидравлического удара, а также проведен ряд исследований в области гидротехники. Наряду с многими зарубежными учеными большой вклад в развитие современной гидравлики внесли русские и советские исследователи.

2. Основные физические свойства жидкостей и газов

2.1. Физическое строение жидкостей и газов

Газы, жидкости и твердые тела имеют различные микроструктуры, вследствие чего различаются между собой и тепловые движения в них. Каждое из этих трех агрегатных состояний вещества можно охарактеризовать отношением порядков величин потенциальной энергии силового взаимодействия между молекулами и кинетической энергии их теплового движения. Это отношение зависит от плотности «упаковки» молекул в данной структуре, т.е. от порядка средних расстояний между молекулами.

Сложность вопроса усугубляется, главным образом, своеобразием законов межмолекулярных сил. Для электрически нейтральных молекул силовое взаимодействие между ними определяется наличием значительного отталкивания при малых расстояниях между молекулами и быстро спадающего притяжения между ними на больших расстояниях. Сообразно этому, в сравнительно плотных молекулярных структурах, соответствующих твердому агрегатному состоянию вещества, потенциальная энергия взаимодействия молекул значительно превосходит кинетическую энергию их теплового движения.

Молекулярная структура в твердом теле определяется сильным взаимодействием между молекулами, приводящим к колебаниям их около неподвижных центров, совпадающих с равновесными положениями молекул под действием силовых полей, образованных системой молекул. Эти неподвижные в пространстве положения равновесия являются устойчивыми. Они могут образовывать правильную, периодическую систему, что соответствует кристаллической решетке, свойственной микроструктуре кристаллических твердых тел, либо хаотически разбросаны в случае аморфного их состояния. В последнем случае из-за потери устойчивости возникает тенденция к переходу аморфной структуры в кристаллическую. Однако продолжительность этого перехода оказывается настолько значительной, что фактически наблюдаются как кристаллические, так и аморфные состояния твёрдых тел. Характерные свойства молекулярной (атомной) структуры твердого тела сохраняются по всей его протяженности, что позволяет говорить о наличии в этой структуре как ближнего, так и дальнего порядков.

Такой упорядоченной структуре, представляющей предельный случай cpеды с сильным взаимодействием образующих ее молекул (атомов), можно противопоставить другой крайний случай - газообразную среду с молекулами, находящимися друг от друга на столь больших расстояниях, что силы взаимного притяжения между ними пренебрежимо малы. В этом случае основное значение приобретает кинетическая энергия теплового движения, которое можно рассматривать как хаотическое движение свободных молекул, сопровождаемое их столкновениями друг с другом. Ни о какой неподвижной молекулярной структуре здесь речи быть не может.

Отсутствие силового взаимодействия между молекулами лишает газовую среду как ближнего, так и дальнего порядков.

Указанные две крайние по своим свойствам - твердая и газообразная - структуры xopoшо изучены и составляют соответственно предметы специальных курсов теоретической физики: физики твердого тела, кинетической теории газов и статистической механики.

Как известно, теоретическому рассмотрению легче поддаются крайние случаи, а наибольшие затруднения встречаются на пути изучения промежуточных случаев. Это полностью подтверждается существующими попытками проникнуть вглубь природы жидкого состояния вещества, занимающего промежуточное положение между твердым и газообразным состояниями, причем и по свойству сжимаемости и по другим макроскопическим свойствам расположенного ближе к твердому, чем газообразному. Надо констатировать, что до сих пор не существует сколько-нибудь полная и законченная теория жидкого состояния.

Основная сложность заключается в том, что в жидкостях потенциальная энергия молекулярного взаимодействия сравнима по порядку с кинетической энергией теплового движения. Наличие влияния этого взаимодействия сказывается на индивидуальном, зависящем от химического строения молекул характере внутренней структуры жидкостей, чего нет в газах, но что еще в большей степени сказывается в твердых телах. По современным представлениям, жидкости обладают весьма своеобразной структурой приближающей их к аморфным состояниям твердых тел.

В молекулярной структуре жидкостей имеется ближний порядок, но отсутствует дальний. Это выражается в том, что расположение молекулы жидкости среди соседних молекул определяется ее силовым взаимодействием с ближними молекулами и практически не зависит от взаимодействия с дальними, которое быстро ослабевает, подобно тому, как это имеет место в газах. Такой «ближний» порядок сохраняется для всех молекул и определяет своеобразие теплового движения в жидкостях, сближающее их с аморфными твердыми телами. Молекулы жидкости совершают колебательные движения в пределах расстояний до своих ближних молекул с частотой, близкой по порядку к частоте колебаний молекул в твердых кристаллических решетках. Однако в жидком агрегатном состоянии центры этих колебаний уже не являются неподвижными, а мигрируют хаотически в покоящейся жидкости и в направлении макроскопического движения - в текущей жидкости.

Наличие сильного взаимодействия между молекулами в твердом - кристаллическом или аморфном - состоянии вещества, сохраняющего существенную роль в жидком состоянии, придает их макроскопическим свойствам большее разнообразие, чем в случае газообразного состояния. В частности, формы проявления такого основного макроскопического свойства, как текучесть, настолько различны у разных жидкостей, что это составило предмет специального раздела механики сплошных сред, представляющего наиболее общее учение о текучести, - реологии. Если для газов можно довольствоваться одним, общим для всех газов законом вязкости Ньютона, то в жидкостях этот закон дополняется большим числом других реологических законов, учитывающих вязкоупругие, вязкопластические, тиксотропные и многие другие свойства, присущие так называемым «аномальным», отличным от ньютоновских, жидкостям.

В последнее время стали выделять четвертое агрегатное состояние вещества - плазму. Под плазмой подразумевают ионизованный газ, в котором, в отличие от нейтрального газа, между молекулами возникают электростатические кулоновы силы. Наличие таких молекулярных взаимодействий, а также свободных электронов (электронный газ) вызывает появление у плазмы особых свойств, оправдывающих ее рассмотрение как нового специфического агрегатного состояния вещества.

Более подробные сведения по молекулярной структуре и тепловым движениям вещества в различных агрегатных состояниях приведены в соответствующих разделах физики.