История гидравлики. История развития гидравлики.

Зародження окремих подань з області гідравліки слід віднести ще до глибокої давнини, до часу гідротехнічних робіт, що проводилися стародавніми народами, що населяли Єгипет, Вавилон, Месопотамію, Індію, Китай та інші країни. Однак пройшло багато століть і навіть тисячоліть, перш ніж почали з’являтися окремі, спочатку не зв’язані один з одним, спроби виконати наукові узагальнення тих чи інших спостережень, що відносяться до гідравлічних явищ. У далекій давнині гідравліка була тільки ремеслом без будь-яких наукових основ.
Період Древньої Греції. У Греції ще за 250 років до н.е. почали з’являтися трактати, в яких вже виконувалися досить серйозні для того часу теоретичні узагальнення окремих питань механіки рідини. Математик і механік того часу Архімед (близько 287 — 212 рр. до н. е.) залишив після себе аналіз питань гідростатики і плавання. За час, що минув, до праці Архімеда, присвяченому гідростатики, мало що вдалося додати. Представник давньогрецької школи Ктезибий (II або I століття до н. е..) винайшов пожежний насос, водяний годинник і деякі інші гідравлічні пристрої. Герону Олександрійському (ймовірно, I століття н. е..) належить опис сифона, водяного органу, автомата для відпустки рідини і т. п.
Період Стародавнього Риму. Римляни запозичили багато у греків. У Стародавньому Римі будувалися складні для того часу гідротехнічні споруди: акведуки, системи водопостачання і т. п. У своїх творах римський інженер-будівельник Фронтин (40-103 р. н. е.) вказує, що за часів Траяна в Римі було 9 водопроводів, причому загальна довжина водопровідних ліній становила 436 км. Можна припускати, що римляни вже звертали увагу на наявність зв’язку між площею живого перерізу і ухилом дна русла, на опір руху води в трубах, на нерозривність руху рідини. Наприклад, Фронтин писав, що кількість води, що надійшла в трубу, повинна дорівнювати кількості води, яка витікає з неї.
Період Середніх віків. Цей період, що тривав після падіння Римської імперії близько тисячі років, характеризується, як прийнято вважати, регресом, зокрема, і в області механіки рідини.
Епоха Відродження. Протягом другої половини XV ст. і в XVI столітті почали розвиватися експериментальні дослідження (див. нижче), поступово спростовували схоластичні погляди, підтримувані католицькою церквою. В цей період в Італії з’явилася геніальна особистість — Леонардо да Вінчі (1452-1519), який, як відомо, вів свої наукові (експериментальні та теоретичні дослідження в різних галузях; зокрема, Леонардо вивчав принцип роботи гідравлічного преса, аеродинаміку літальних апаратів, освіта водоворотных областей, відображення і інтерференцію хвиль, витікання рідини через отверстая і водозливи та інші гідравлічні питання. Він винайшов відцентровий насос, парашут, анемометр. Різні роботи Леонардо відображені в збережених 7 тис. сторінок рукописів, що зберігаються у бібліотеках Лондона, Віндзора, Парижа, Мілана і Туріну. Мабуть, справедливо буде визнати, що Леонардо да Вінчі є основоположником механіки рідини. До періоду Відродження відносяться роботи нідерландського математика — інженера Симона Стевина (1548 — 1620), який визначив величину гідростатичного тиску на плоску фігуру і пояснив «гідростатичний парадокс». У цей період великий італійський фізик, механік і астроном Галілео Галілей (1564-1642) показав, що гідравлічні опору зростають із збільшенням швидкості і з зростанням густини рідкої середовища; він роз’яснював також питання про вакуумі.
Період XVII століття і початок XVIII століття. В цей час механіка рідини все ще перебувала в зародковому стані. Разом з тим тут можна відзначити імена таких вчених, сприяли її розвитку: Кастеллі (1577 -1644) — викладач математики в Пізі та Римі — у ясній формі виклав принцип нерозривності; То’рричелли (1608 — 1647) — видатний математик і фізик — дав формулу розрахунку швидкості витікання рідини з отвору і винайшов ртутний барометр; Паскаль (1623 -1662) — видатний французький математик і фізик — встановив, що значення гідростатичного тиску не залежить від орієнтування майданчики дії, крім того, він остаточно вирішив і обґрунтував питання про вакуумі; Ньютон (1643 н. ст.-1727) — геніальний англійський фізик, механік, астроном і математик-дав поряд з вирішенням ряду гідравлічних питань наближений опис законів внутрішнього тертя рідини.
Середина і кінець XVIII століття. Формуються теоретичні основи сучасної механіки рідини. Аналізуючи відповідний історичний матеріал, можна бачити, що питання про вакуумі усвідомлювався людством протягом 2 тис. років (від Арістотеля, неправильно осветившего це питання, до Паскаля); питання про нерозривності руху рідини — протягом 1,5 тис. років (від Фронтина до Кастеллі). Таке становище пояснюється тим, що перш ніж з’ясувати такі питання (з сучасної точки зору досить прості), слід попередньо ясно собі уявити основні положення фізики і механіки, які в наш час люди засвоюють з дитячого віку: питання про силу тяжіння і всесвітнє тяжіння, питання про швидкість і прискорення, про тиск атмосфери і т. п. Тільки освоївши такі уявлення, можна легко розібратися в «елементарних» положеннях механіки рідини. Однак вирішення всіх цих питань фізики і механіки було досить важким завданням: на шляху розкриття їх стояла католицька церква, різні забобони, а також існували метафізичні пояснення різних явищ (наприклад, говорили, що снаряд летить у повітрі, тому що той, хто відлив його, ввів у нього відому силу, яка і обумовлює рух снаряда; Аристотель учив, що летить стрілу приводить в рух повітря тощо).

І ось до середини XVIII століття працями ряду вчених (Галілея, Коперника, Кеплера, Паскаля, Декарта, Гука, Ньютона, Лейбніца, Ломоносова, Клеро і багатьох інших) зазначені перешкоди, нарешті, були значною мірою подолані. Після цього відносно швидко почали створюватися сучасні наукові основи механіки рідини. Ці наукові основи були закладені трьома вченими XVIII століття: Данилом Бернуллі, Ейлером і Д Аламбером.
Д. Бернуллі (1700 — 1782) — видатний фізик і математик.- народився в Гронінгені (Голландія). З 1725 по 1733 р. жив у Петербурзі, був професором і членом Петербурзької Академії наук. У Петербурзі він написав свій знаменитий працю «Гідродинаміка», який згодом був опублікований (у 1738 р.) р. в Страсбурзі. У цій праці він висвітлив ряд основоположних гідравлічних питань і, зокрема, пояснив фізичний зміст доданків, що входять в сучасне рівняння сталого руху ідеальної рідини), що носить його ім’я.
Л. Ейлер (1707-1783) — великий математик, механік і фізик — народився р. в Базелі (Швейцарія). Жив у Петербурзі з 1727 до 1741 р. і з 1766 р. до кінця життя. Був членом Петербурзької Академії наук. Помер у Петербурзі. Могила його знаходиться в Ленінградському некрополі. Ейлер не тільки підсумував і узагальнив у бездоганною математичній формі роботи попередніх авторів, але склав відомі диференціальні рівняння руху і відносної рівноваги рідини, носять його ім’я, а також опублікував цілий ряд оригінальних рішень гідравлічних задач, широко використовуючи створений до того часу математичний апарат.
Ж. д’аламбер (1717-1783) — математик і філософ; член Паризької, французької та інших Академій наук, а також Петербурзької Академії наук (з 1764 р.). Опублікував ряд трактатів, що належать до рівноваги і руху рідини; припускають, що д’аламбер перший відзначив можливість кавітації рідини.
У зазначений період істотний внесок у справу розвитку механіки рідини внесли також два видатних французьких математика того часу: Ж. Лагранж (1736-1813), який ввів поняття потенціалу швидкості і досліджував хвилі малої висоти, і П. Лаплас (1749-1827), створив, зокрема, особливу теорію хвиль на поверхні рідини.
Середина і кінець XVIII століття. Зароджується технічне (прикладне) напрямок механіки рідини. Поряд з вченими Л. Ейлером, Д. Бернуллі, Д Аламбером та ін., сформулировавшими основи сучасної механіки рідини, в середині та в кінці XVIII ст. у Франції почала поступово утворюватися особлива школа — школа вчених-інженерів, які стали формувати механіку, як прикладну (технічну) науку. Розглядаючи гідравліку, як галузь техніки, а не математики, представники цієї школи ввели викладання механіки рідини в технічних навчальних закладах. До кінця XVIII ст. французька школа стала основною гідравлічної школою в галузі технічних наук.
Яскравими представниками цієї школи були: А. Піто (1695 — 1771) — інженер-гідротехнік, член Паризької Академії наук, винахідник «приладу Піто»; А. Шезі (1718-1798) — директор Французької школи мостів і доріг (Еколь де Пон е Шосе), сформулировавший параметри подібності потоків і обосновавший формулу, що носить його ім’я; Ж. Б орд а (1733-1799) — військовий інженер, який займався питаннями витікання рідини з отворів і знайшов втрати напору при різкому розширенні потоку; П. Дюбуа (1734-1809) — інженер-гідротехнік і військовий інженер, склав узагальнюючий працю «Принципи гідравліки».
Технічний напрямок механіки рідини розвивалося і в інших країнах. Тут можна відзначити італійського професора Д. Вентурі (1746-1822) і німецького вченого-інженера Р. Вольтмана (1757 — 1837).
В результаті діяльності вчених-інженерів технічна механіка рідини (гідравліки) збагатилася винаходом відповідної вимірювальної апаратури (пьезометрами, трубки Піто, вертушками Вольтмана тощо); ідеєю використання матеріальних (речових) моделей тих або інших гідравлічних явищ для їх вивчення і для проектування відповідних інженерних споруд; ідеєю теоретичного побудови наближених розрахункових залежностей з уточненням таких залежностей за допомогою введення в них емпіричних коефіцієнтів.
Незалежно від формування технічної механіки рідини в країнах Західної Європи геніальний російський вчений М. в. Ломоносов (1711 — 1765) , враховуючи зростання промисловості і будівництва в Росії, почав розвивати механіку рідини в технічному напрямку.
Розвиток технічної механіки рідини (гідравліки) в XIX ст. за кордоном. Зародився у Франції технічне (гідравлічне) напрямок механіки рідини швидко почало розвиватися як у самій Франції, так і в інших країнах. У цей період у тій чи іншій мірі були розроблені або вирішені наступні проблеми: основи теорії плавно змінюється нерівномірного руху рідини у відкритих руслах (Беланже, Кориолис, Сен-Венан, Дюпюї, Буден, Бресс, Буссинеск); питання про гідравлічному стрибку (Бідоні, Беланже, Бресс, Буссинеск); експериментальне визначення параметрів, що входять у формулу Шезі (Базен, Маннінг, Гангилье, Куттер); складання емпіричних і напівемпіричних формул для визначення гідравлічних опорів у різних випадках (Кулон, Хаген, Сен-Венан, Пуазейль, Дарсі, Вейсбах, Буссинеск); відкриття двох режимів руху рідини (Хаген, Рейнольде); отримання так званих рівнянь Нав’є-Стокса, а також рівнянь Рейнольдса на основі використання моделі осредненного турбулентного потоку (Сен-Венан, Рейнольде, Буссинеск); встановлення принципів гідродинамічної подібності, а також критеріїв подібності (Коші, Риич, Фруд, Гельмгольц, Рейнольде); основи вчення про рух грунтових вод (Дарсі, Дюпюї, Буссинеск); теорія хвиль (Герстнер, Сен-Венан, Риич, Фруд, Стоці, Гельмгольц, Базен, Буссинеск); питання витікання рідини через водозливи та отвори (Беланже, Кірхгоф, Базен, Буссинеск, Борда, Вейсбах). У цей період вивчалися також взвесенесущие потоки (Фарг, Дюпюї), неустановившееся рух (Сен-Венан, Буссинеск, Дюпюї).
Зародження та розвиток технічної механіки рідини (гідравліки) в XIX ст. у Росії. Прикладне, інженерне напрямок механіки рідини, що зародилося у нас ще в роботах М. в. Ломоносова (див. вище), стало розвиватися в Росії у XIX ст. в стінах Петербурзького інституту інженерів шляхів сполучення. У цьому інституті довгий час існувала єдина гідравлічна школа Росії. Вчені цього інституту тільки на початку своєї діяльності слідували французької гідравлічної школі. Тут можна насамперед згадати П. П. Мельникова (1804-1880) — інженера шляхів сполучення, професора прикладної механіки, почесного члена Петербурзької Академії наук, Міністра шляхів сполучення, який створив перший російською мовою курс «Основи практичної гідравліки…», а також організував у 1855 р. першу в Росії навчальну гідравлічну лабораторію. Наступниками П. П. Мельникова були професори того ж інституту B. C. Глухів, Н. М. Соколов, П. Н. Котляревський, Ф. Е. МаксименкоиГ. К. Мерчинг. Вони опублікували ряд праць, що належать до технічної механіки рідини (гідравліки), в яких узагальнили відповідні дослідження, виконані в стінах інституту інженерів шляхів сполучення. Великий внесок у розвиток гідравліки такі російські вчені та інженери: Н. П. Петров (1836-1920) — видатний російський учений-інженер, почесний член Петербурзької Академії наук (інженер-генерал-лейтенант, товариш Міністра шляхів сполучення), який у своїй праці «Тертя в машинах і вплив на нього мастильної рідини» (1883 р.) вперше сформулював закони тертя при наявності мастила: М. Е. Жуковський (1847-1921) — великий російський учений, професор Московського вищого технічного училища та Московського університету, член-кореспондент Петербурзької Академії наук, творець теорії гідравлічного удару, який досліджував також багато інші питання механіки рідини; В. С. Громека (1851-1889).-професор Казанського університету, який розробляв теорію капілярних явищ і заклав основи теорії, так званих, гвинтових потоків.

Розвиток технічної механіки рідини (гідравліки) в області інженерно-будівельних спеціальностей протягом перших десятиліть XX століття. На початку XX ст. в гідравліці намітилося багато самих різних наукових напрямків, які можна класифікувати за різними ознаками, наприклад:
а)за видом розглянутої текучого середовища; тут можна розрізняти воду, повітря, нафта, різні двофазні рідини, так звані, неньютоновские і аномальні рідини, електропровідну або магнітну середу, плазму; сюди можна віднести стратифіковані потоки тощо;
б)в залежності від галузі техніки або галузі знань, де використовується апарат гідромеханіки, можна розрізняти: аеронавтику, суднобудування, гидромашиностроение, інженерно-будівельна справа (зокрема, гидротехнику), балістику, гидроавтоматику, хімічну технологію, метеорологію, океанологию тощо;
в)можна розрізняти окремі гідромеханічні теорії, які покладаються в основу вирішення завдань, що належать до різних галузей техніки (див. вище п. б): теорію турбулентності; завдання неустановившегося, зокрема, хвильового руху; теорію мастила і ламінарного руху; теорію руху рідини (зокрема, нафти та газу) у пористих середовищах і т. п.
У зв’язку зі сказаним на початку XX ст. (та і в кінці XIX ст.) з технічної механіки рідини почали виділятися окремі іноді значною мірою ізольовані один від одного напрями, які доводиться розглядати окремо. Нижче, торкаючись лише інженерно-будівельного напряму гідравліки, висвітлимо найголовніші роботи, що відносяться до цього напрямку і виконані в період до 20 -30-х років цього століття. Ф. Форхгеймер (1852-1933) — німецький професор — розглянув гідравлічні опору, хвилі переміщення, коливання .горизонтів води в зрівняльних резервуарах ГЕС, деякі види деформацій піщаних русел. Особливо важливі дослідження Форхгеймера в області питань фільтрації. М. Вебер (1871 — 1951) — німецький професор — надав принципам гідродинамічної подібності сучасні форми. Л. Прандтль (1875 -1953) — німецький професор, інженер — розробив (поряд з Тейлором і Кишенею) полуэмпирическую теорію турбулентності; досліджував гідравлічні опору в трубах. З ім’ям Прандтля пов’язаний ряд понять з області механіки рідини. Роботи Прандтля в області теорії прикордонного шару з’явилися основоположними. М. А. Велетнів (1879 — 1964) — радянський учений, член-кореспондент АН СРСР — розробляв теорію турбулентності, досліджував рух наносів і руслові деформації, запропонував так звану гравітаційну теорію руху зважених наносів. Б. А. Бахметєв (1880-1951) — російський вчений, інженер шляхів сполучення — працюючи в Петербурзькому політехнічному інституті, заклав основи сучасної російської гідравлічної школи, опублікувавши ряд книг, в яких висвітлив різні розділи гідравліки. Б. А. Бахметєв вирішив у досить загальній формі задачу про інтегрування диференціального рівняння нерівномірного руху в призматичних руслах. Блазиус (р. 1883) — німецький вчений — вперше показав, що для «гладких труб» коефіцієнт опору залежить лише від одного параметра — числа Рейнольдса. Н. Н. Павловський (1886 — 1937) — радянський вчений, академік, інженер шляхів сполучення — в 1922 р. опублікував основи математичної теорії фільтрації води в грунтах; запропонував метод електромоделірованія фільтраційних потоків (метод ЭГДА); видав перший в Росії «Гідравлічний довідник» і монографію з основ гідравліки; вирішив низку гідравлічних завдань, що належать до інженерно-будівельної гідравліці. Н. Н. Павловський створив науково-педагогічну школу в галузі гідравліки на базі загальноінститутської кафедри гідравліки Ленінградського політехнічного інституту. Н. М. Вернадський (1882-1935) — радянський учений, інженер шляхів сполучення — вперше пов’язав визначення теплових втрат з полем швидкостей у ставках-охолоджувачах; запропонував важливу модель «планового потоку», що знайшла собі широке застосування.
До 20 -30-х років XX ст. була створена велика лабораторна база, на основі якої вирішувалися різноманітні питання гідравліки. Рівним чином були проведені також великі натурні (польові) спостереження, дозволили скласти відповідні емпіричні формули або відкоригувати (стосовно до реальних умов) формули, отримані для різних ідеалізованих схем теоретичним шляхом. Перерахуємо лише деяких учених, які взяли участь в цього роду діяльності: П. П. Мельников, Енгельс (1854-1945), Ребок (1864-1950), Кох (1852-1923), В. О. Тимонов (1862-1936), В. Р. Есьман (1868-1955), Шаффернак (1881-1951), Феллениус (р. 1876), Мейєр-Петер (р. 1883), Гинув сон (р. 1878), Скобей (р. 1880), Кеннеді (1851-1920), Н. Н. Павловський.
Загальна схема формування (у часі) механіки рідини, як видно з малюнка, у відповідності зі всім сказаним вище, можна вважати з деяким наближенням, що наука про механіці рідини (в сучасному уявленні цього поняття) зародилася в працях Архімеда. Приблизно до середини XIX ст. ця наука (див. область А на малюнку) отримала значний розвиток, причому цей період часу відбулося розділення механіки рідини на два різних напрямки: «математичну механіку рідини» (див. область Б) і «технічну механіку рідини» (див. область). Як зазначають (наприклад, Р. Рауз і С. Інце у своїй відомій книзі «Історія гідравліки»),’ математична механіка рідини зародилася ще в працях Л. Ейлера (в середині XVIII ст.). Що стосується технічної механіки рідини (гідравліки), то цей напрямок механіки, як вище було сказано, почало розвиватися головним чином у роботах французьких учених-інженерів. Важливо підкреслити, що на рубежі початку XIX ст. технічна механіка рідини початку в свою чергу розчленовується на окремі напрями (див. на малюнку стрілки В1; В2, Вз). До таких окремих напрямків можна віднести, наприклад, інженерно-будівельну (гідротехнічну) гідравліку, гидромашинную гідравліку, суднобудівну гідравліку, нафтову і газову гідравліку і т. п. Зрозуміло, теоретичні основи цих окремих гідравлік значною мірою є загальними; разом з тим суто прикладні частини таких курсів виявляються істотно різними. Зауважимо, що питання про поділ механіки (зокрема, механіки рідини) на різні напрямки досить часто підкреслюється в літературі. Наприклад, А. Н. Боголюбов пише: «У результаті сучасна механіка розділилася на багато напрямків, які зливаються, з одного боку, з математичної, з іншого — з різними напрямками техніки (таке проміжне положення між чистою абстракцією і практикою конкретної було характерно для механіки з часів її зародження)».
Деякі загальні висновки, що випливають з розгляду історичного матеріалу:
1.Розробка проблем гідравліки (технічної механіки рідини), зокрема, інженерно-будівельного напряму, завжди, диктувалася необхідністю вирішення тих чи інших практичних завдань, що висуваються життям і пов’язаних з розвитком матеріальної бази нашого суспільства.
2.Окремі здавалося б елементарні уявлення механіки рідини освоювалися людством, як ми бачили, іноді протягом досить тривалого часу (наприклад, зазначені вище питання про вакуумі і рівняння нерозривності руху рідини, які вирішувалися протягом тисячоліть).
3.Теоретичні основи технічної механіки рідини (гідравліки) почали інтенсивно розвиватися тільки в середині XVIII ст. після того, як рядом зарубіжних і вітчизняних вчених були сформульовані основні закони фізики і загальної механіки, а також розроблено відповідний математичний апарат, що дозволяє досить точно і стисло висловлювати відповідні залежності механіки.
4.Мабуть, деякі положення гідромеханіки протягом століть повторно відкривалися і розроблялися по кілька разів.
5.Іноді, в кінцевому рахунку, окремим ученим історія приписує те, що вони не пропонували і «забуває» про те, що вони зробили. Наприклад, Фруд не пропонував «числа Фруда» і ніколи ним не користувався (широко відомо, що «число Фруда» було запропоновано Риичем).
6.Багато рівняння і формули, пов’язані нині з іменами різних вчених, були надані цими вченими зовсім не в тому вигляді, в якому вони фігурують у сучасній літературі; прикладів таких «іменних залежностей» можна навести цілий ряд: формула Шезі, формула Торрічеллі і т. д.
На початку XX ст. провідна роль у галузі технічної механіки рідини (гідравліки) перейшла від старої французької гідравлічної школи до німецької школи, яку очолив ряд видатних німецьких вчених. Однак після Великої Жовтневої соціалістичної революції в зв’язку з бурхливим розвитком у нашій країні гідротехнічного будівництва у СРСР був створений ряд науково-дослідницьких інститутів, які розробляли різні гідромеханічні проблеми; було організовано також велике число втузів інженерно-будівельного, зокрема, гідротехнічного профілю. Якщо в дореволюційний час в Росії майже відсутні друковані видання, присвячені гідравлічним і гідротехнічним питань, то в післяреволюційний період у нас з’явилася велика література (журнали, праці інститутів, монографії, посібники для проектування тощо), яка висвітлює різні сторони технічної гідромеханіки; при цьому незабаром наша вітчизняна гідравліка висунулася на одне з перших місць у світі.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *