Материал: Гидравлика. учебное пособие. Кирпичев И.Ю

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 R_e 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.

1.6. Зарождение и развитие гидравлики в России

Развитию гидравлики в России благоприятствовали социально-экономи­ческие причины, связанные с развитием промышленного про­изводства. В XVIII веке в России начался значительный рост гидротехнического строительства и развитие морского и речного транспорта.

По инициативе Петра I (1672-1725 гг.) были проведены большие работы по строительству каналов и шлюзов для соединения бассейнов Каспийского и Азовского морей, была построена Вышневолоцкая система каналов, открывшая водному транспорту из Балтийского моря через Волхов, Иль­мень, Мету, Цну и Тверцу на Волгу и далее в Каспийское море. Это грандиозное строительство Вышневолоцкой системы с ря­дом шлюзов и плотин было успешно осуществлено в 1719— 1722 гг. талантливым русским мастером-гидротехником - Михаилом Ивановичем Сердюковым (1677-1754 гг.).

После Петра I в России было организовано в 1767 г. "Главное управление водяных коммуникаций", которое развернуло широ­кую деятельность по строительству ряда новых каналов. Был по­строен канал, соединивший реку Северную Двину с Камой (1786-1822 гг.), в 1797 г. было начато строительство Березинской водной системы, соединившей реку Днепр с Западной Двиной.

В различных городах России были построены крупней­шие по тому времени плотины в целях устройства водяных колес для механизации трудоемких процессов на заводах.

Один из крупнейших строителей и механиков России Козь­ма Дмитриевич Фролов (1728—1800 гг.) соорудил к концу 80-х гг. XIX века на Змеиногорском руднике комплекс со­оружений и гидросиловых установок, позволивший механи­зировать большую часть производственных процессов (откачку воды из рудников, подъем и транспортировку руды и т.п.). Земляная плотина (высотой 18 м) и некоторые другие соору­жения, построенные на р. Змеевке, сохранились до настоя­щего времени, что говорит о больших практических знаниях К. Д. Фролова в области гидравлики и гидрологии.

Одновременно с развитием в России строительства гидро­технических сооружений стало развиваться печатание ориги­нальных русских произведений.

В 1708 г. по указанию Петра I была напечатана одна из первых русских технических книг в виде руководства под названием "Книга о способах, творящих водохождение рек свободное".

В середине XVIII века, как отмечалось выше, наиболее результативны были исследования по гидравлике двух иностранных ученых, живших и работавших в России, - Д. Бернулли и Л. Эйлера, и русского ученого М. В. Ломоносова.

В 1791 г. Алексей Васильевич Колмаков - переводчик адмиралтейской коллегии и писатель издал в Петербурге оригинальный справочник "Карманная книжка для вычисления воды, протекающей через трубы, отверстия или по желобам, а также силы, с какой они (воды) ударяют, стремясь с данной скоростью; с приложением правил для вычисления тре­ний, производимых в машинах, в пользу находящихся при стро­ении мельниц и проведении вод". Это была первая русская кни­га по практической гидравлике в современном ее понимании.

Гидравлическая школа России сформировалась в Санкт-Петербургском институте, корпуса инженеров путей сообще­ния (ныне Санкт-Петербургский государственный университет путей сообщения) благодаря профессору Павлу Петровичу Мельникову (1804-1880 гг.).

П. П. Мельников окончил в 1825 г. полный курс институ­та корпуса инженеров путей сообщения и был оставлен при институте репетитором для подготовки на должность профес­сора. В 1833 г. П. П. Мельников назначен профессором при­кладной механики в институте и одновременно в артиллерий­ском училище. В 1836 г. им был издан первый курс гидравлики , на русском языке под названием "Основания практической гидравлики или о движении воды в различных случаях и дей­ствии ее ударом и сопротивлением". Ни в одной стране, кроме - Франции, подобных курсов гидравлики еще не существовало.

Большая заслуга П. П. Мельникова в области строительного дела в России относится к участию его в сооружении Санкт-Пе­тербургской - Московской (ныне Октябрьской) железной дороги. Будучи Министром путей сообщения России (1862-1869 гг.), он произвел многие важные перемены. В частности, в 1866 г. открыт канал Императора Александра II , расширена и углублена часть Свирского канала, продолжались работы по улучшению Мариинской системы и условий судоходства по Волге.

Преемниками профессора П. П. Мельникова явились профессора того же института: В. С. Глухов, Н. М. Соколов, П. М. Котляровский, Ф. Е. Максименко и Г. К. Мерчинг.

В последующие годы XIX века в России были изданы учебники: "Курс гидравлики" проф. И. А. Евневича (1874 г.), «Гидростатика и теория упругости" Д. Бобылева (1886 г.), "Курс гидравлики" проф. Ф. Е. Максименко (пять изданий, начиная с 1888 г. в сборнике Петербургского института инженеров путей сообщения, выпуски 13, 15, 16, 17, 19), "Курс гидравлики" в 2 т. проф. И. А. Тиме (1891-1894 гг.), "Гид­равлика и теория турбин" проф. Д. С. Зернова (1897 г.) и др.

В России возникали гидравлические и гидротехнические лаборатории, которые сыграли большую роль в накоплении экспериментального материала, на базе которого получил зна­чительное развитие ряд разделов гидравлики.

Начало первой гидравлической лаборатории в России было положено в 1855 г. проф. Н. М. Соколовым при Петербургском институте корпуса инженеров путей сообщения, где был создан отдел гидравлики при кабинете прикладной механики. В этом же институте в 1884 г. была организована первая в России кафедра гидравлики, которую возглавил проф. Ф. Е. Максименко. Он же был одним из основателей Московского института инженеров же­лезнодорожного транспорта (ныне Московский государственный университет путей сообщения), в котором им же в 1906 г. была создана одна из лучших в России гидравлическая лаборатория. -,- В 1902 г. проф. И. Г. Есьман и др. создается гидравличес­кую лабораторию при Петербургском политехническом инсти­туте (ныне Санкт-Петербургский государственный техничес­кий университет), в 1907 г. — при Московском высшем техническом училище (ныне Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана), развитие ко­торой в дальнейшем обязано проф. Н. И. Куколевскому.

В 1903 г. проф. В. Е. Тимоновым было положено начало гид­ротехнической лаборатории при Петербургском институте корпу­са инженеров путей сообщения, которая была открыта в 1907 г.

Работы Есьмана Иосифа Гавриловича (1868-1955 гг.) - профессора Петербургского политехнического института по­священы, главным образом, гидравлике и гидромашинострое­нию, в частности, исследованиям движения жидкостей повы­шенной вязкости через местные сопротивления, турбулентным стокам, а также теории и расчету поршневых и центробежных насосов. Им даны физические основы явления турбулентности потока и введено понятие липкости жидкости. С 1922 г. он - зав. кафедрой гидравлики Азербайджанского индустриального института (г. Баку).

Куколевский Иван Иванович (1878-1960 гг.) - ученый в области гидромашиностроения. По окончанию в 1902 г. МВТУ работал там же лаборантом, преподавателем, с 1917 г. – профессором. Автор первых работ в России по теории центробежных и поршневых насосов.

Тимонов Всеволод Евгеньевич (1862-1938 гг.) - известный гидротехник. Окончил Школу мостов и дорог в Париже (1883 г.) и Петербургский институт путей сообщения (1886 г.). С 1895 г. - профессор Петербургского института путей сообщения.

Труды В. Е. Тимонова посвящены вопросам строительства портов улучшения судоходных условий рек, регулирования рек в их порожистой части, построек крупных мостов и мая­ков, водоснабжения и канализации крупных городов.

Во второй половине XIX века в России появляются работы, оказавшие большое влияние на последующее развитие гидрав­лики, авторами которых являлись русские ученые И. С. Громека, Д. И. Менделеев, Н. П. Петров, Н.Е. Жуковский и др.

Громека Ипполит Степанович (1851-1889 гг.) - русский гидромеханик. В 1873 г. окончил Московский университет, с |1881 г. - профессор Казанского университета. В 1879 г. защитил магистерскую диссертацию "Очерк по теории капиллярных явлений". Теория поверхностного сцепления жидкости", в которой предложил общую аналитическую теорию капиллярных явлений. Детально изложил законы смачивания. Дал общее доказательство теоремы о плавании твердых тел на границе двух жидкостей с учетом капиллярных сил, имеющей, большое значение для флотационных процессов. В этом труде И. С. Громека заложил основы современной математической теории капиллярности.

Докторская диссертация И. С. Громеки "Некоторые случаи движения несжимаемой жидкости" (1882 г.) посвящена исследованию ряда вихревых потоков жидкости. В этой работе им были заложены основы теории так называемых винтовых потоков с поперечной циркуляцией. Работы И. С. Громеки посвящены также неустановившемуся движению вязкой I жидкости (1882 г.), распространению ударных волн жидкости в упругих трубах (1883 г.).