Лекции по гидравлике
Другие рефераты
Введение
Гидравлика представляет собой теоретическую дисциплину, изучающую вопросы,
связанные с механическим движением жидкости в различных природных и
техногенных условиях. Поскольку жидкость (и газ) рассматриваются как
непрерывные и неделимые физические тела, то гидравлику часто рассматривают
как один из разделов механики так называемых сплошных сред, к каковым
принято относить и особое физическое тело -жидкость. По этой причине
гидравлику часто называют механикой жидкости или гидромеханикой; предметом
её исследований являются основные законы равновесия и движения жидкостей и
газов. Как в классической механике в гидравлике можно выделить общепринятые
составные части: гидростатику, изучающую законы равновесия жидкости;
кинематику, описывающую основные элементы движущейся жидкости и
гидродинамику, изучающую основные законы движения жидкости и раскрывающую
причины её движения.
Гидравлику можно назвать базовой теоретической дисциплиной для обширного
круга прикладных наук, с помощью которых исследуются процессы,
сопровождающие работу гидравлических машин, гидроприводов. С помощью
основных уравнений гидравлики и разработанных ею методов исследования,
решаются важные практические задачи, связанные с транспортом жидкостей и
газов по трубопроводам, а также с транспортом твёрдых тел по трубам и
другим руслам. Гидравлика также решает важнейшие практические задачи,
связанные с равновесием твёрдых тел в жидкостях и газах, т.е. изучает
вопросы плавания тел.
Широкое использование в практической деятельности человека различных
гидравлических машин и механизмов ставят гидравлику в число важнейших
дисциплин, обеспечивающих научно-технический прогресс.
Большой практический интерес к изучению механики жидкости вызван рядом
объективных факторов. В - первых, наличие в природе значительных запасов
жидкостей, которые легко доступны человеку. Во- вторых, жидкие тела
обладают рядом полезных свойств, делающих их удобными рабочими агентами в
практической деятельности человека. Немаловажным следует считать и тот
фактор, что большинство жизненно важных химических реакций обмена протекают
в жидкой фазе (чаще всего в водных растворах).
По этим причинам особый интерес человек проявил к жидкостям на самой ранней
стадии своего развития. Вода и воздух (иначе жидкость и газ) были отнесены
к числу основных стихий природы уже первобытным человеком. История
свидетельствует об успешном решении ряда практических задач с
использованием жидкостей уже на самих ранних стадиях развития человека.
Первым же научным трудом по гидравлике следует
считать трактат Архимеда «О плавающих телах» (250 г. до н. э.)- Однако в
дальнейшем на протяжении нескольких столетий в развитии человечества
наступила эпоха всеобщего застоя, когда развитие знаний и практического
опыта находились на весьма низком уровне. В последующую за этим эпоху
возрождения началось бурное развитие человеческих знаний, науки, накопление
практического опыта. Наравне с развитием других наук начала развиваться и
наука об изучении взаимодействия жидких тел.
Первыми крупными работами в этой области следует считать работы Леонардо да
Винчи (1548-1620) - в области плавания тел, движения жидкостей по трубам и
каналам. В работах Галилео Галилея (1564 - 1642) были сформулированы
основные принципы равновесия и движения жидкости; работы Эванджелиста
Торичелли (1604 - 1647) были посве-щены решению задач по истечению жидкости
из отверстий, а Блез Паскаль (1623 - 1727) исследовал вопросы по передаче
давления в жидкости. Основополагающие и обобщающие работы в области
механики физических тел, в том числе и жидких, принадлежат гениальному
английскому физику Исааку Ньютону (1643 - 1727), который впервые
сформулировал основные законы механики, закон всемирного тяготения и закон
о внутреннем трении в жидкостях при их движении.
Развитию гидромеханики (гидравлики) как самостоятельной науки в
значительной степени способствовали труды русских учёных Даниила Бернулли
(1700 - 1782), Леонарда Эйлера (1707 - 1783), М.В. Ломоносова (1711 -
1765). Работы этих великих русских учёных обеспечили настоящий прорыв в
области изучения жидких тел: ими впервые были опубликованы дифференциальные
уравнения равновесия и движения жидкости Эйлера, закон сохранения энергии
Ломоносова, уравнение запаса удельной энергии в идеальной жидкости
Бернулли.
Развитию гидравлики как прикладной науки и сближению методов изучения
теоретических и практических вопросов используемых гидравликой и
гидромеханикой способствовали работы французских учёных Дарси, Буссинэ и
др., а также работы Н.Е. Жуковского. Благодаря трудам этих учёных, а также
более поздним работам Шези, Вейсбаха, Прандля удалось объединить
теоретические исследования гидромеханики с практическими и
экспериментальными работами, выполненными в гидравлике. Работы Базена, Пуа-
зейля, Рейнольдса, Фруда, Стокса и др. развили учение о динамике реальной
(вязкой жидкости). Дифференциальное уравнение Навье - Стокса позволило
описать движение реальной жидкости как функцию параметров этой жидкости в
зависимости от внешних условий. Дальнейшие работы в области теоретической и
прикладной гидромеханики были направлены на развитие методов решения
практических задач, развитие новых методов исследования, новых направлений:
теория фильтрации, газо- и аэродинамика и др.
При решении практических вопросов гидравлика оперирует всеми известными
методами исследований: методом анализа бесконечно малых величин, методом
средних величин, методом анализа размерностей, методом аналогий,
экспериментальным методом.
Метод анализа бесконечно малых величин - наиболее удобный из всех методов
для количественного описания процессов равновесия и движения жидкостей и
газов. Этот метод наиболее эффективен в тех случаях, когда приходится
рассматривать движение объектов на атомно-молекулярном уровне, т.е. в тех
случаях, когда для вывода уравнений движения приходится рассматривать
жидкость (или газ) с молекулярно-кинетической теории строения вещества.
Основной недостаток метода - довольно высокий уровень абстракции, что
требует от читателя обширных знаний в области теоретической физики и умение
пользоваться различными методами математического анализа, включая векторный
анализ.
Метод средних величин - является более доступным методом, поскольку его
основные положения базируется на простых (близких к обыденным)
представлениях о строении вещества. При этом выводы основных уравнений в
большинстве случаев не требуют знаний молекулярно-кинетической теории, а
результаты, полученные при исследованиях, этим методом не противоречат
«здравому смыслу» и кажутся обоснованными. Недостаток этого метода
исследований связан с необходимостью иметь некоторые априорные
представления о предмете исследований.
Метод анализа размерностей может рассматриваться в качестве одного из
дополнительных методов исследований и предполагает всестороннее знания
изучаемых физических процессов.
Методом аналогий - используется в тех случаях, кода имеются в наличии
детально изученные процессы, относящиеся к тому же типу взаимодействия
вещества, что и изучаемый процесс.
Экспериментальный метод является основным методом изучения, если другие
методы по каким- либо причинам не могут быть применены. Этот метод также
часто используется как критерий для подтверждения правильности результатов
полученных другими методами.
В конечном счёте, метод изучения движения жидкости, а также уровень
изучения (макро или микро) выбирается из условий практической постановки
задач и соотношения характерных размеров. Основным мерилом для этих
характерных размеров может быть длина свободного пробега молекул. Так для
изучения движения жидкости на макро уровне необходимо, чтобы характерные
размеры: L (некоторая длина) и d (ширина) по отношению к длине свободного
пробега молекул А, находились в соответствии:
[pic]
1. Общие сведения о жидкости 1.1. Жидкость как физическое тело
Чтобы представить и правильно понять характер поведения жидкости в
различных условиях необходимо обратиться к некоторым представлениям
классической физики о жидкости как физическом теле. Не ставя перед собой
цель детального и всестороннего описания жидких тел, что подробно
рассматривается в классическом курсе физики, напомним лишь некоторые
положения, которые могут пригодиться при изучении гидравлики как
самостоятельной дисциплины.
Так, согласно молекулярно-кинетической теории строения вещества все
физические тела в природе (независимо от их размеров) находятся в
постоянном взаимодействии между собой. Степень (интенсивность)
взаимодействия зависит от масс этих тел и от расстояния между телами.
Количественной мерой взаимодействия тел является сила, которая
пропорциональна массе тел и всегда будет убывать при увеличении расстояния
между телами. В зависимости от размеров тел (элементарные частицы, атомы и
молекулы, макротела) характер взаимодействия будет различным. Согласно
классическим представлениям физики можно выделить четыре вида
взаимодействия тел. Каждый вид взаимодействия обусловлен наличием своего
переносчика взаимодействия. Два вида взаимодействия относятся к типу
дальнодействующих и повседневно наблюдаются человеком: гравитационное и
электромагнитное. При электромагнитном взаимодействии происходит процесс
излучения и поглощения фотонов. Именно этот процесс порождает
электромагнитные силы, под действием которых протекают практически все
процессы в природе, которые мы наблюдаем. Характерной особенностью этого
(электромагнитного) взаимодействия является то, что его проявление зависит
от многих внешних условий, которые приводят к различным наблюдаемым
результатам. Так имея одну и туже природу взаимодействия (электромагнитную)
мы изучаем, на первый взгляд, совершенно разные физические процессы:
движение жидкости, трение, упругость, передачу тепла, движение зарядов в
электрическом поле и т.д. И, как следствие, дифферен
| |  скачать работу |
Другие рефераты
| 
