Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования «Полоцкий государственный университет»
МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
для студентов специальности 1-70 04 02 «Теплоснабжение, вентиляция и охрана воздушного бассейна»
Составители В.К. Липский, Д.П. Комаровский
Под общей редакцией В.К. Липского
Новополоцк 2006
УДК 532/533 (075.8) ББК 22.253 я73
М 55
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
И.В. Качанов, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Гидравлики» Белорусского национального технического университета;
В.В. Колено, канд. техн. наук, доцент кафедры трубопроводного транспорта и гидравлики
Рекомендован к изданию методической комиссией инженерно-строительного факультета
М55 Механика жидкости и газа: Учеб.-метод. комплекс для студ. спец. 1-70 045 02 «Теплоснабжение, вентиляция и охрана воздушного бассейна» / Сост. В.К. Лип- ский, Д.П. Комаровский; Под общ. ред. В.К. Липского. – Новополоцк: ПГУ,
2006. – 300 с.
ISBN 985-418-409-9
Имеет модульную структуру и состоит из конспекта лекций, методических ука- заний к выполнению лабораторных работ, примеров и задач для самостоятельного ре- шения, контрольных вопросов.
Изложены основные вопросы курса «Механика жидкости и газа»: физические свойства жидкостей, гидростатика, общие законы и уравнения гидродинамики, гидрав- лические сопротивления и др.
Предназначен для преподавателей и студентов специальности «Теплоснабжение, вентиляция и охрана воздушного бассейна».
УДК 532/533 (075.8) ББК 22.253 я73
ISBN 985-418-409-9
© УО «ПГУ», 2006 © Липский В.К., Комаровский Д.П., составление, 2006
2
МОДУЛЬ 0
ВВЕДЕНИЕ В КУРС « МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА»
Исследование вопросов о движении различных жидкостей, а также о силовом (механическом) воздействии жидкости на те или другие поверх- ности и на обтекаемые ею твердые тела постепенно привело к созданию обширной науки, которую называли «механикой жидкого тела», или «ме- ханикой жидкости», или (если пользоваться греческими словами) «гидро- механикой». Механика жидкости (гидромеханика) разделяется на статику (гидростатику), кинематику и гидродинамику.
В механике жидкости (в гидромеханике) изучаются законы равнове- сия и движения различных жидкостей; очевидно, что в ней должны рас- сматриваться также и способы практического приложения этих законов, то есть разрабатываться соответствующие методы гидромеханических расче- тов различных конструкций, устройств и т. п.
Механика жидкости (гидромеханика) развивалась за рубежом и в России, а затем и в СССР, по двум направлениям:
1)по направлению, свойственному техническим наукам (изучаемым
втехнических учебных заведениях);
2)по математическому направлению (с использованием обширного и относительно сложного математического аппарата, изучаемого главным образом в университетах).
В связи с этим создалось положение, когда в области единой науки механики жидкости стали различать две разные науки (два разных метода исследования): «техническую механику жидкости» («техническую гидро- механику»), называемую часто «гидравликой» и изучаемую в технических учебных заведениях, и «математическую механику жидкости» («математи- ческую гидромеханику»), изучаемую главным образом в университетах.
Различие между этими науками, имеющими один и тот же объект ис- следования заключается в следующем.
В технической механике жидкости (гидравлике) при решении раз-
личных практических задач широко используются те или иные допущения
ипредположения, упрощающие рассматриваемый вопрос. Достаточно час- то гидравлические решения основываются на результатах экспериментов,
ипотому в технической механике жидкости приводят относительно много различных эмпирических и полуэмпирических формул. При этом стремят- ся к оценке только главных характеристик изучаемого явления и часто
3
оперируют теми или иными интегральными и осредненными величинами, которые дают достаточную для технических приложений характеристику рассматриваемых явлений. Например, в технической механике жидкости часто пользуются понятием средней скорости движения жидкости в том или другом поперечном сечении потока. По своему характеру техническая механика близка к известным дисциплинам – строительной механике и со- противлению материалов, в которых под тем же углом зрения изучаются вопросы механики твердого тела. Следует учитывать, что гидравлика, яв- ляясь общетехнической дисциплиной, должна рассматриваться как «про-
фессиональная физика жидкого тела», в которой, в частности, даются ос-
новы соответствующих гидромеханических расчетов, используемых при проектировании инженерных сооружений, конструкций, а также надлежа- щих технологических процессов.
В математической механике жидкости, как было отмечено, широко используется относительно сложный математический аппарат, не изучае- мый в технических вузах. Этот аппарат прилагается также к несколько уп- рощенным схемам движения жидкости. Однако в этом методе исследова- ния мы все же не прибегаем к различного рода допущениям и не опериру- ем различными осредненными величинами в такой мере, как в техниче- ской механике жидкости. Решения, получаемые в математической гидро- механике, оказываются более строгими в математическом отношении. По своему характеру математическая механика жидкости сходна с математи- ческой теорией упругости (рассматривающей вопросы механики твердого тела), изучаемой в университетах.
Как показал опыт, методы математической механики жидкости часто оказываются столь сложными, что большинство практических задач не- возможно решить, следуя этим методам. Этим и объясняется возникнове- ние и развитие технической, прикладной науки – технической механики жидкости, то есть гидравлики, которая стремится дать приближенные от- веты на все те вопросы, связанные с движущейся или покоящейся жидко- стью, которые ставит перед нами практика.
Можно сказать, что в технической гидромеханике (в гидравлике) при- ближенно решаются сложные задачи при помощи простых методов. В ма- тематической же гидромеханике относительно точно решаются только не- которые простейшие задачи при помощи сложных методов. Следует отме- тить, что в последнее время мы все чаще сталкиваемся с вопросами, кото- рые приходится решать, сочетая методы технической и математической гид- ромеханики, причем иногда бывает трудно провести границу между ними.
4
Необходимо отметить, что техническая механика жидкости (гидрав- лика), представляющая собой обширную, самостоятельную, сложившуюся техническую науку, включает в себя много различных разделов, касаю- щихся отдельных сторон рассматриваемой проблемы. Разумеется, эти раз- делы должны излагаться в курсах «Технической механики жидкости» для разных технических специальностей.
Из сказанного выше видно, что термины «гидравлика», «техническая гидромеханика» и «техническая механика жидкости» следует рассматри- вать как имеющие одинаковое значение (как бы синонимы). Необходимо учитывать, что само слово «гидравлика» произошло от слияния двух гре- ческих слов, из которых первое значит «вода», а второе – « труба», «канал», «струя». Как видно, ранее считали, что гидравлика занимается изучением движения или покоя только воды. Однако в настоящее время термин «гид- равлика» (а также «гидромеханика») рассматривается в более широком смысле: объектом изучения в гидравлике является любая жидкость (а не только вода).
КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ МЕХАНИКИ ЖИДКОСТИ
Первым научным трудом в области гидравлики считается трактат Архимеда (287 – 212 гг. до н.э.) «О плавающих телах», хотя некоторые за- коны гидравлики были, видимо, известны и ранее, так как задолго до Ар- химеда строились оросительные каналы и водопроводы.
В древнем Египте, Индии, Китае были построены каналы и водохра- нилища грандиозных по тем временам размеров. Так, глубина некоторых водохранилищ в Индии достигала 15 м, в Китае около 2500 лет назад был построен Великий канал длиной около 1800 км, который соединял приус- тьевые участки крупных рек страны. В Риме 2300 лет назад был построен первый водопровод.
На территории нашей страны также были построены многочислен- ные каналы и сооружения для добычи и транспортирования воды. Земле- делие в районах Кавказа и Средней Азии велось с применением орошения. Некоторые из каналов, построенных в низовьях Амударьи около 2000 лет назад, используются и по сей день (естественно, после многоразовых ре- монтов и реконструкций).
5