В 1880 г. выдающийся русский ученый, профессор Московского университета Дмитрий Иванович Менделеев (1834 - 1907 гг.) в своей монографии "О сопротивлении жидкостей и воздухоплавании" дал систематическое и критическое изложение существовавших к тому времени работ по теории сопротивления и указал на важное значение вязкости жидкости при определении сопротивления трения хорошо обтекаемого тела; дал отчетливое разграничение трения жидкости о гладкие и шероховатые стенки; отметил основную роль "прилипшего" к твердому телу слоя жидкости; впервые указал на существование в природе двух режимов движения жидкости, при которых законы сопротивления различны. Это позволило в 1883 г. английскому физику О. Рейнольдсу дать весьма полное освещение существования в природе этих двух режимов движения жидкости - ламинарного (слоистого или параллельно-струйного) и турбулентного (беспорядочного), а также развить теорию подобия применительно к изучению движения жидкости.
Работа Д. И. Менделеева позволила русскому ученому, почетному члену Петербургской Академии наук (инженер-генерал-лейтенанту, товарищу Министра путей сообщения России) Николаю Павловичу Петрову (1836-1920 гг.) окончательно установить в 1883-1885 гг. закон внутреннего трения жидкости, ставший основой всей гидродинамической теории смазки, и на его основе разработать знаменитую теорию гидродинамического трения в машинах.
Н. П. Петров развил гипотезу И. Ньютона о внутреннем трении в движущейся вязкой жидкости, доказав, что гипотеза Ньютона является законом. В своей трилогии "Трение в машинах и влияние на него смазывающей жидкости", опубликованной в 1883-1889 гг., Н. П. Петров блестяще сочетал свою теорию с тщательно проведенными опытами, с важнейшими нуждами производства и внедрил ее в практику русского железнодорожного дела.
Н. П. Петрову по праву принадлежит роль создателя современной физической теории ламинарного (или как его назвал сам автор, параллельного) движения жидкости; ему же первому принадлежит указание о том, что установленный им закон внутреннего трения справедлив только для этого движения, что характер гидравлических сопротивлений ламинарных и турбулентных потоков (согласно современной терминологии) совершенно различен.
Николай Егорович Жуковский (1847-1921 гг.) – русский ученый – механик, внес большой вклад в гидравлику. Будучи с 1879 г. профессором Московского высшего технического училища, а с 1881 г. – профессором Московского университета (член- корреспондент Петербургской Академии наук с 1894 г.), он выполнил ряд фундаментальных исследований по разнообразным разделам механики жидкости и газа. Им впервые в работе "О гидравлическом ударе" (1898 г.) введены дифференциальные уравнения гидравлического удара в трубах с учетом упругости жидкости и стенок трубы, а также получены их общие решения. Использование этих общих решений позволило разрешить ряд практических задач, связанных с гидроударом в водопроводных трубах.
Из других выдающихся работ Н. Е. Жуковского получили всемирное признание и распространение следующие труды: видоизменение метода Кирхгофа для решения задач струйного обтекания тел, гидродинамическая теория фильтрации (1889 г.), решение задач гидродинамической теории смазки, теорема о подъемной силе крыла и теория гребного винта, теория решеток и ряд других исследований.
Работы Н. Е. Жуковского отличаются органическим сочетанием строгой теории, ясного физического толкования результатов и практических выводов.
Самые общие механические и физические идеи, вложенные в исследования Н. Е. Жуковского, их многочисленные приложения к решению разнообразных частных задач, как технической аэромеханики, так и гидравлики и гидротехники, были сначала выполнены самим Н. Е. Жуковским, а затем его последователями и учениками: проф. С. А. Чаплыгиным (1869-1942 гг.) усовершенствована гидродинамическая теория смазки, которая дала метод интегрирования уравнений движения смазочной жидкости; проф. И. Г. Есьманом - в вопросах инженерной гидравлики, связанных с расчетами гидротехнических сооружений и устройств; академиком Н.Н. Павловским (1884-1937 гг.) развита теория фильтрации воды в грунтах; академиком Л. С. Лейбензо - ном (1879-1951 гг.) продолжено дальнейшее развитие гидродинамической теории смазки, теории гидравлического удара в трубах и гидравлики нефти; академиком С. А. Христиановичем получены результаты в области неустановившегося движения жидкости в каналах и метода интегрирования уравнений неустановившегося движения жидкости.
К концу XIX века и в начале XX века центрами научной мысли в деле развития гидравлики в России становится Московское высшее техническое училище (проф. А. И. Астров, проф. И. И. Куколевский) и Петербургский политехнический институт (проф. И. Г. Есьман, проф. Б. А. Бахметов, акад. Н. Н. Павловский).
В конце 20-х годов XX века в СССР сформировались оснащенные гидравлические лаборатории в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ), МВТУ, Московской сельскохозяйственной академии. Московском институте инженеров транспорта, Ленинградском политехническом институте, Ленинградском институте инженеров путей сообщения, Новочеркасском политехническом институте и в других научно-исследовательских институтах и вузах страны.
После революции 1917г. в СССР развернулось строительство гидроэлектростанций, каналов, плотин и других гидротехнических сооружений, резко возросли темпы строительства дорог, гидромелиоративного строительства, быстро стали развиваться гидромашиностроение и оборонная техника. Это потребовало развития всех областей науки, в том числе и гидравлической.
Ведущее место в развитии инженерной гидравлики принадлежит академику Н. Н. Павловскому и его школе, сформировавшейся в Ленинградском политехническом институте.
Павловский Николай Николаевич (1884—1937 гг.) — советский ученый в области гидравлики и гидротехники, академик АН СССР (1932 г.), родился в Орле. В 1912 г. окончил Петербургский институт инженеров путей сообщения, с 1919 г. — профессор того же института и Лесного института, а с 1921 г. - Петроградского (Ленинградского) политехнического института.
Наиболее важное значение имеет труд Н. Н. Павловского "Теория движения грунтовых вод под гидротехническими сооружениями и ее основные приложения" (1922 г.), в котором Предложены новые принципы проектирования гидротехнических сооружений, разработана теория напорного и безнапорного движения грунтовых вод.
Н. Н. Павловским разработан метод расчета движения воды в открытых потоках, метод электрогидродинамических аналогий (для расчета фильтрации), способ построения кривых свободной поверхности потоков; предложена формула для определения коэффициента в выражении скорости равномерного движения жидкости в трубах и открытых руслах.
Н. Н. Павловский участвовал в создании Волховской, Днепровской и Свирьской ГЭС, в строительстве Московского метрополитена, в решении проблемы большой Волги.
Переходя к более современному периоду, перечислим имена некоторых ведущих ученых в области гидравлики.
Глубокие исследования различных вопросов теории гидравлики были проведены И. И. Агроскиным, А. Д. Альтшулем, А. И. Богомоловым, М. А, Великановым, Ю. Н. Даденковым, Е. А. Замариным, И. И. Леви, В. М. Маккавеевым, А. Я. Милови-чем, Г. И. Сухомелом, М. Д. Чертоусовым, Р. Р. Чугаевым, А. А. Угинчусом и многими другими видными советскими учеными.
В развитии теории турбулентного движения жидкости ведущая роль принадлежала А. Н. Колмогорову, М. Д. Миллионщикову, А. С. Монину, А. М. Яглому и др.
В области гидравлики трубопроводов широко известны работы А. Д. Альтшуля, Н. Ф. Федорова, Ф.А. Шевелева.
Приведенный выше краткий исторический очерк развития гидравлики показывает, что современная гидравлика представляет собой органичный сплав науки и практики, опирающийся на теоретическую гидромеханику и поставленные на высоком уровне экспериментальные исследования.
Резюме: В историческом очерке рассмотрены пути развития и становления гидравлики как науки от глубокой древности (Архимед, Герон) до XX века (Бернулли, Дарси, Вейсбах, Пуазейль). Особое внимание уделено становлению и развитию гидравлики в России.
Вопросы для самоконтроля:
1. Назовите представителей школы гидравлики XVII-XVIII веках.
2. Над какими проблемами трудились известные ученые Даниила Бернулли и Леонард Эйлер?
3. Расскажите о прикладном направлении механики жидкости в гидравлической школе Франции.
4. Расскажите о формировании и развитии русской гидравлических школ в Санкт-Петербурге и Москве.
Понятие "гидравлика" произошло от греческого слова hydraulikos, включающего два слова hydor – вода и aulos – труба, и первоначально означало учение о движении воды по трубам.
Раздел механики, в котором изучают равновесие и движение жидкости, а также силовое взаимодействие между жидкостью и обтекаемыми ее телами или ограничивающими ее поверхностями, называется гидравликой. Если помимо жидкостей изучают движение газов (воздуха) и обтекание ими тел, то науку называют аэрогидравликой.
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, т.е. течения в открытых и закрытых руслах (каналах). В понятие «русло» и «канал» включают различные трубопроводы, насадки, элементы гидромашин и другие устройства, внутри которых протекает жидкость.
В природе различают четыре агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. Жидкость занимает промежуточное положение между твердыми веществами и газами.
Жидкость – физическое вещество, обладающее большой подвижностью частиц и всегда принимающее форму сосуда, в котором она находится.
Термину "жидкость" в гидромеханике часто придают более широкий смысл, чем это принято в обыденной жизни. В понятие "жидкость" включают все вещества, которым свойственна текучесть, т.е. способность сильно изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил. Таким образом, в это понятие включают как жидкости обычные, называемые капельными, так и газы. Первые отличаются тем, что в малом количестве под действием поверхностного натяжения принимают сферическую форму, а в большом – обычно образуют свободную поверхность раздела с газом.
Важной особенностью капельных жидкостей является то, что они ничтожно мало изменяют свой объем при изменении давления, поэтому их обычно считают несжимаемыми. Газы, наоборот, могут значительно уменьшатся в объеме под действием давления и неограниченно расширяться при отсутствии давления, т.е. они обладают большой сжимаемостью.
В гидравлике рассматриваются главным образом капельные жидкости, газообразные - в смежных разделах механики жидкости (термодинамике и аэромеханике).
Следует заметить, в гидравлике жидкость рассматривают как непрерывную среду, заполняющую пространство без пусто и промежутков.
Различают следующие модели жидкой среды:
а) идеальную;
б) ньютоновскую;
в) неньютоновскую.
Для облегчения и упрощения ряда теоретических выводов в гидравлике иногда используют понятие идеальной жидкости, обладающей абсолютной несжимаемостью, полным отсутствием температурного расширения и не оказывающей сопротивления растягивающим и сдвигающим усилиям. Отсюда, идеальная жидкость — жидкость фиктивная, не существующая в действительности.
Жидкость, обладающая вязкостью, называют ньютоновской жидкостью, то есть для нее справедлив закон Ньютона.
Жидкости, для которых неприемлем закон Ньютона, называют неньютоновскими или аномальными жидкостями (суспензии и коллоидальные растворы и т. д.).
В общих курсах гидравлики обычно изучают лишь ньютоновские жидкости; неньютоновские, как правило, здесь не рассматриваются, этим занимается реология — специальная наука, выделившаяся в самостоятельный раздел механики.
К основным физическим характеристикам жидкостей, с которыми приходится иметь дело при гидравлических расчетах относятся: 1) плотность; 2) удельный вес; 3) вязкость; 4) адсорбция и кавитация.