CC BY
177
УДК 94 B.E, КЛИМОВ
аспирант, кафедра подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин, Приокский государственный университет E-mail: [email protected]
UDC 94 V.E. KLIMOV
Graduate student, Department of lifting-transport, construction and road machines, Prioksky State University
E-mail: [email protected]
ФОРМИРОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ ГИДРАВЛИКИ КАК НАУКИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ ЗАДАЧ FORMATION AND DEVELOPMENT OF HYDRAULIC AS A SCIENCE TO SOLVE ENGINEERING PROBLEMS
В статье рассматривается история развития гидравлики. Анализируется широкий перечень информации, связанной с историко-философским очерком. Автор описывает формирование и становление гидравлики как науки для решения инженерных задач. Выполнен анализ предпосылок, связанных с возникновением потребности в изучении вопросов гидравлики. Показан широкий круг научных трудов, затрагивающих вопросы теоретического изучения и практического применения свойств жидкости. Выделены основные этапы и периоды становления науки о жидкости. В заключение выявлена практическая значимость и связь гидравлики с другими науками.
Ключевые слова: гидравлика, развитие гидравлики, этимология гидравлики, история становления гидравлики.
The article deals with history of hydraulics. A wide range of information related to the historical and philosophical essay was analyzed.The author describes the formation and development of hydraulics as a science to solve engineering problems. The analysis of the assumptions associated with the emergence of the needs of studding issues of hydraulics was made. The author showed a wide range of scientific papers dealing with matters of theoretical studding and practical application offluid properties. The main stages and periods of formation of the science offluid were singled out. The practical importance and relationship of hydraulics with other sciences were revealed in conclusion.
Keywords: hydraulics, hydraulic development, etymology of hydraulics, development of hydraulics.
Жидкость является одним из трех агрегатных состояний вещества. Её значимость была выявлена еще со времен зарождения человечества и на протяжении веков только набирала свою силу. Большой практический интерес к изучению механики жидкости вызван рядом объективных факторов, таких как: наличие в природе значительных запасов жидкостей, доступных человеку, а также благодаря тому, что 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 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.
Основным свойством жидкости, отличающим её от веществ, находящихся в других агрегатных состояниях, является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, практически полностью сохраняя при этом объём.
Гидравлика, с точки зрения науки, изучает вопросы, связанные с механическим движением жидкости в различных природных и техногенных условиях. Поскольку жидкость рассматривается как непрерывное и неделимое физическое тело, то гидравлику часто рассматривают как один из разделов механики сплошных сред, к которым относится 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.
В гидравлике можно выделить общепринятые составные части или основные направления изучения: гидростатика, изучающая законы равновесия жидкости; кинематика, описывающая основные элементы движущейся жидкости и гидродинамика, рассматривающая основные законы и причины движения жидкости.
Гидравлику можно назвать базовой теоретической дисциплиной для широкого круга прикладных наук, с помощью которых исследуются процессы, сопровождающие работу гидравлических машин, гидроприводов. Широкое использование в практической деятельности человека различных гидравлических машин и механизмов ставят гидравлику в число важнейших дисциплин, обеспечивающих научно-технический прогресс.
© В.Е. Климов © V.E. Klimov
Благодаря основным уравнениям гидравлики и разработанным ею методам 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 рассматривает важнейшие практические задачи, связанные с равновесием твёрдых тел в жидкостях и газах, изучает вопросы плавания тел.
Значимость изучения процесса развития гидравлики как науки в любом ее проявлении достаточно велика. Устойчивый интерес к ней как в научном сообществе, так и в обществе в целом обусловлен связью прошлого с настоящим, способностью отвечать на поставленные современностью вопросы благодаря накопленному веками знанию и практическому применению, откликаться на запросы самых разных её сфер. Отвечая на эти вопросы и имея крупнейший многовековой опыт, история работает на современность.
В процессе исторического познания изменяется и актуальность проблематики научного исследования, одна и та же тема освещается и трактуется по-разному в разные исторические эпохи.
Цель данной работы в систематизации знаний о становлении, развитии и основных этапах формирования гидравлики как прикладной науки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить рад следующих задач: проанализировать предпосылки. связанные с возникновением потребности изучения вопросов гидравлики; рассмотреть научные труды, затрагивающие вопросы теоретического изучения и практического применения свойств жидкости; выделить основные этапы и периоды становления гидравлики; рассмотреть базовые направления на пути исследования жидкости как предмета изучения гидравлики; выявить практическую значимость и связь гидравлики с другими науками.
Предпосылки зарождения гидравлики
История изучения жидкости, в частности воды, берет свое начало в глубокой древности. Применение различных свойств жидкости как источника жизни и движущей силы, в историческом контексте соотносится со временем формирования человеческого общества. Первые, несистематические знания рада вопросов гидравлики, по всей вероятности, возникли еще в доисторические времена. Накопленная информация передавалась от одного поколения к другому. Такие выводы можно делать, ссылаясь на способность накопления знаний, так как до нас дошли сведения лишь о более поздних открытиях. Так, древние греки, египтяне и индусы считали воду началом всех начал и затрачивали огромные усилия, чтобы получить или переместить её. Построенные водопроводы времен античного периода в Древних Афинах и Риме, каналы в долинах Нила, Тигра и Евфрата, плотины в Индии, спустя огромный промежуток времени, простояли до наших дней и не потеряли своей архитектурной целостности. Все эти сооружения строились на основе опыта предыдущих поколений, а
использование свойств жидкости являлось обычным ремеслом и не рассматривалось с научной точки зрения.
Термин «гидравлика» впервые появился в Древней Греции и относился к ремеслу, которое занималось изготовлением музыкальных инструментов. В них использовалась вода, залитая в вертикальные трубы. Этимология термина связана с двумя греческими словами: шмр - вода и ай/.ос - труба, желоб, что свидетельствует о важности вопросов, относящихся к движению жидкостей по трубам. Изначально этот термин охватывал только учение о движении воды по трубам [5, с. 7]. С накоплением информации, в этой области и обширное её применение способствовало распространению значения этого слова в основные сферы и направления научного знания.
Научные работы, сформировавшие базу в области гидравлики
Зарождение отдельных представлений из области гидравлики следует отнести еще к глубокой древности, ко времени гидротехнических работ, проводившихся древними народами, населявшими Египет, Вавилон, Месопотамию, Индию, Китай. Однако прошло много веков и даже тысячелетий, прежде чем начали появляться отдельные, вначале не связанные друг с другом, попытки выполнить научные обобщения тех или иных наблюдений, относящихся к гидравлическим явлениям. В далекой древности гидравлика являлась только ремеслом без каких-либо научных основ.
Фундамент гидравлики как прикладной науки закладывается в античные времена. Первым научным трудом в области гидравлики считают трактат Архимеда (287-212 до н.э.) «О плавающих телах», написанный за 250 лет до н.э. В Древнем Риме строились сложные для того времени гидротехнические сооружения: акведуки, системы водоснабжения и т.п. В своих сочинениях римский инженер-строитель Фронтин (40-103 г. н.э.) указывает, что во времена Траяна в Риме было 9 водопроводов, а общая длина водопроводных линий составляла 436 км. Таким образом, можно сделать вывод о том, что римляне имели понятие о живом сечении и неразрывности потока воды, о сопротивлении движению жидкости в трубах. Например, Фронтин писал, что количество воды, поступившей в трубу, должно равняться количеству воды, вытекающей из нее [3, с. 5].
В период средневековья гидравлика как наука не развивалась. Это было вполне закономерно, так как эпоха феодализма с ее натуральным хозяйством и отсутствием развитой промышленности не ставила перед гидравликой никаких задач, требующих разрешения.
В эпоху Возрождения начался новый период расцвета науки и искусства, были заложены основы экспериментальной, практической гидравлики. Становление гидравлики как науки неразрывно связывают с именем гениального итальянского живописца, скульптора, ученого Леонардо да Винчи (1452-1519), который вел свои научные (экспериментальные и теоретические) исследования в различных областях: в частности истечение
жидкости через отверстия и водосливы, образование водоворотных зон и другие вопросы. Зная огромное количества работ в области механики, дошедших до нашего времени, справедливо будет причислить Леонардо да Винчи к основоположникам механики жидкости. явившейся фундаментом гидравлики как науки. Леонардо да Винчи обладал обширнейшими достижениями в живописи, музыке, скульптуре, физике, анатомии, биологии, архитектуре и строительстве. Многие труды великого Леонардо стали известны сравнительно недавно. В конце XV в. Леонардо да Винчи написал труд «О движении воды и измерении воды в речных сооружениях»,обобщил собственные лабораторные эксперименты, отдельные элементы знаний по гидравлике, сделал попытку связать гидравлические закономерности с общетехническими принципами.
Голландский инженер и математик Симон Стевин (1548-1620) в 1585 г. опубликовал книгу «Начала гидростатики», в которой описал правила определения силы давления, действующей на плоскую фигуру - дно и стенки сосудов. Он также впервые объяснил гидростатический парадокс.
Великий итальянский физик Галилео Галилей (1564-1642) опубликовал трактат «Рассуждение о телах, пребывающих в воде, и о тех, которые в ней движутся» (1612), где рассмотрел основные законы плавания тел. Он также отметил, что сила гидравлического сопротивления увеличивается с повышением скорости движущегося в жидкости твердого тела и плотности жидкой среды.
Гениальный английский ученый Исаак Ньютон (1643-1727)в труде «Математические начала натуральной философии» (1687)не только обосновал законы механики, но и привел приближенное описание закона внутреннего трения в жидкости, установил квадратичный закон сопротивления при обтекании тел в движущейся жидкости и закон динамического подобия, открыл явление уменьшения сечения струи при истечении через отверстие. Следует отметить, что основные законы равновесия и движения жидкости, несмотря на элементарные способы доказательства, не утратили своего значения и сейчас.
Основываясь на изложенном материале, можно сделать вывод, что за достаточно длительный период времени проводились научные исследования по ряду важнейших вопросов, относящихся к разделам гидравлики. Однако работы этого периода являются частью отдельных разделов уже известных в то время наук - физики и математики, поэтому они не смогли стать основанием для выделения гидравлики в самостоятельную отрасль науки. Значительная часть полученных результатов закладывает базу для дальнейшего развития инженерной мысли в направлении изучения теоретических и практических вопросов гидравлики.
Этапы развития гидравлики как науки
Гидравлика - одна из самых древних наук в мире и именно поэтому, она имеет достаточно большую историю становления и развития. Существующие ис-
точники. освещающие исторический путь развития гидравлики как инженерной науки схожи по своей структуре. В них периодизация происходит по времени - векам, столетиям[1; 3; 5]. Так. выделяют основные этапы развития:
- Древняя Греция.
- Древний Рим,
- Средние века.
- Эпоха возрождения.
- XVII век - начало XVIII века,
- Середина и конец XVIII века,
- XIX-XX века.
При изучении материала по данной тематике систематизация информации осуществлялась не со стороны временного контекста, а со стороны качественного роста знания в отношении основных принципов и законов гидравлики. Гидравлика - отрасль знаний, где теоретические исследования тесно связаны с решением практических задач, поэтому строго разбить на эти два периода развитие гидравлики как науки, конечно, нельзя.
Формирование теоретических основ механики жидкости
Изучение теоретических вопросов свойств жидкости производилось с античных времен. Однако период с середины XVII до конца XVIII в. принято считать началом формирования теоретических основ механики жидкости и газа. В это время гидравлика становится самостоятельным направлением науки. Ее основоположниками являются крупнейшие математики и механики XVIII в., а также члены Российской Академии наук Михаил Васильевич Ломоносов, Даниил Бернулли, Леонард Эйлер, Жан Лерон ДАламбероми др. Научную базу современной гидравлики составляют общие законы физики, особенно теоретической механики, а также закон Ломоносова о сохранении материи и движения.
Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765 гг.) -первый русский учёный-естествоиспытатель мирового значения, энциклопедист, химик и физик. Ломоносов в письме к Эйлеру в 1748 г. изложил принцип открытого им всеобщего закона сохранения материи и энергии, а в 1760 г. в диссертации «Рассуждение о твердости и жидкости тел» сформулировал законы сохранения вещества и энергии. Он также выполнил ряд работ по механике газа и прикладным вопросам механики жидкости.
Даниил Бернулли (1700-1782 гг.) - сын Иоганна (1667-1748 гг.) - родился в Голландии, он занимался физиологией и медициной, но больше всего математикой и механикой. В 1725-1733 гг. работал в Петербургской Академии наук сначала на кафедре физиологии, а затем механики. Впоследствии он стал почетным членом Петербургской Академии наук. Даниил Бернулли - известный математик и механик. Работая над проблемами математики и механики, посвятил ряд работ вопросам движения и сопротивления жидкости. После отъезда из России в 1733 году в Швейцарию Бернулли работал профессором Базельского университета сначала по физиологии (1733 г.), потом по механике (1750 г.). В
1738 году в Базеле Д. Бернулли опубликовал свой известный академический труд, выполненный автором во время работы в Петербурге. Даниил Бернулли написал предисловие, в котором точно указывал, что его «Гидродинамика» полностью принадлежит России и, прежде всего. Петербургской Академии наук.
На основе учения Леонардо Эйлера возникла родственная гидравлике наука - гидромеханика, которая также изучает законы движения жидкостей, но только лишь методом математического анализа, тогда как гидравлика широко использует и экспериментальный метод.
После Леонарда Эйлера в России работали ученики его школы: Николай Иванович Фусс (1755-1825 гг.), Семен Емельянович Гурьев, Иван Никитич Гроздов и др.
В указанный период существенный вклад в дело развития теории механики жидкости внесли также два выдающихся математика того времени: Ж. Лангранж и П. Лаплас.
Исходя из вышеизложенного материала, можно сделать вывод, что наряду с развитием общенаучной теории появляются законы гидравлики. В это время вместе с теорией существовало некоторое практическое применение, основанное на научном знании в области гидравлики, но такого широкого отражения, как в последующий период, оно не нашло.
Техническое представление механики жидкости
Формирование прикладного направление механики жидкости начинается с середины XVIII века. Наряду с учеными теоретиками (Д. Бернулли, Л. Эйлер, Ж. Д' Аламбер и др.), сформировавшими теоретико-математические основы современной механики жидкости, во Франции начала постепенно образовываться особая школа - школа ученых-инженеров, которые стали формировать механику как техническую и инженерную науку.
В 1716 году во Франции было основано специальное учебное заведение «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 был А. Пито (1695-1771 гг.) - инженер - гидротехник, член Парижской Академии наук, изобретатель скоростной трубки «прибора Пито».
К гидравлической школе Франции присоединились ученые и инженеры других стран, такие как Д. Вентури (Италия), Р. Вольтман (Германия), О. Рейнольде (Англия).
Интенсивное развитие производительных сил в XIX веке поставило новые вопросы, которые теоретическая гидромеханика идеальной жидкости уже не могла решать. В это время усиливается значение практической части в области гидравлики.
Встают вопросы и в области изучения движения ре-альныхжидкостей. 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.
Вопросам исследования вязких жидкостей посвящены работы французских ученых А. Сен-Венана и Ж. Пуазейля. Адемар Жан Клод Барре де Сен-Венана (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.
Значительный вклад в техническую механику жидкости при изучении сопротивлений движению жидкостей внесли А. Дарси, Ю. Вейсбах, Л. Парндтль и др.
Таким образом, с конца XVIII - начала XIX накопленные теоретические знания начинают активно применяться в практической, инженерной деятельности. Возрастает интенсивность изучения и применения свойств жидкости с целью реализации различных инженерных задач. Если ранее в гидравлике изучалась лишь одна жидкость - вода, то в современных условиях всё большее внимание уделяется изучению закономерностей движения вязких жидкостей (нефти и её продуктов), газов, неоднородных неньютоновских жидкостей.
Меняются и методы исследования и решения гидравлических задач. Сравнительно недавно в гидравлике основное место отводилось чисто эмпирическим зависимостям, справедливым только для воды и часто лишь в узких пределах изменения скоростей, температур, геометрических параметров потока; теперь всё большее значение приобретают закономерности общего порядка, действительные для всех жидкостей. При этом отдельные случаи могут рассматриваться как следствие обобщенных закономерностей.
Гидравлика постепенно превращается в один из прикладных разделов общей науки о движении жидкостей - механики жидкости. Теоретическая база подкрепляется прикладным применением, происходит переход от теории к практики. Также можно отметить, что в это время теоретические, общие, основные выкладки нашли свое частное, конкретное, прикладное применение.
Практическое значение гидравлики весьма велико, так как она представляет собой основу для инженерных расчётов во многих областях техники и является базой для ряда специальных дисциплин: гидротехники, гидравлических машин (насосы и турбины), водоснабжения и канализации, осушения и орошения, водного транспорта, нефтяного дела.
Связь гидравлики с другими науками
Формирование гидравлики как науки было обусловлено естественными потребностями человечества в изучении свойств жидкости. На протяжении десят-
ко в веков из обьганого ремесла гидравлика превратилась в одну из важнейших современных прикладных наук. Широкое применение свойств жидкости способствовало получению и накоплению необходимых знаний в области гидравлики. По мере развития теоретического базиса набирает свою силу практическое применение и овладение основами инженерных методов расчетов, проводимых для проектирования, строительства, эксплуатации и реконструкция сооружений, предназначенных для использования водных ресурсов рек, озёр, морей, подземных вод, их охраны от загрязнений, а также для борьбы с разрушительным действием водной стихии.
В настоящее время почти во всех отраслях хозяйства применяются различные гидравлические устройства, основанные на использовании основных законов гидравлики, поэтому сложно недооценить значение данной науки.
В начале XX в. ведущая роль в области технической механики жидкости (гидравлики) перешла от старой французской гидравлической школы к немецкой школе, которую возглавил ряд видных немецких ученых. Однако в середине XX в. в связи с бурным развитием в нашей стране гидротехнического строительства был создан целый ряд научно-исследовательских институтов. разрабатывавших различные гидромеханические проблемы. Организовано большое число втузов инженерно-строительного, а в частности, гидротехнического профиля.
Широкое развитие гидротехнического и гидромелиоративного строительства в России привело к дальнейшему развитию гидравлики. Ее практическое значение возросло в связи с потребностями современной техники в решении вопросов транспортирования жидкостей и газов и использования их для разнообразных целей.
В настоящее время выделяется широкий спектр ли-
тературы (журналы, труды институтов, монографии, руководства для проектирования), освещающий самые различные стороны технической гидромеханики. В результате научной деятельности достаточно большого круга отечественных исследователей можно наблюдать, как российская гидравлика выдвинулась на одно из первых мест в мире. Все вышеперечисленные факторы способствуют дальнейшему распространению и развитию гидравлики как науки для решения инженерных задач. Подводя итог, можно лишь подчеркнуть актуальность данного вопроса.
Следует отметить, что особенность гидравлики как науки состоит в её прикладном характере. Определенное количество исследователей, о которых говорилось в основной части работы, приводят доводы, позволяющие структурировать и выявить основные этапы развития данной науки с течением времени, проводят связи между существенными открытиями ученых античного времени. Средневековья, Эпохи Возрождения, при этом подчеркивая последовательность развития теоретической мысли.
Изучение материала данной тематики способствовало развитию собственной мысли и формированию иной точки зрения, ставящей под сомнение именно временную эволюцию гидравлики как науки. Во время изучения исторической части вопроса отчетливо прослеживается скачкообразное накопление материала, связанного с познанием свойств жидкости в результате её практического применения для решения инженерных задач.
Таким образом, наличие спорных моментов со стороны исторического развития только подтверждает тот факт, что эта наука, имея еще достаточное количество вопросов, будет продолжать свое существование и развитие.
Библиографический список
1. Башта Т. М. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учебник для машиностроительных вузов. 2-е изд., перераб. М.: Машиностроение, 1982. 423 с.
2. Брюханов О. Н. Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики: учеб. для студентов сред. спец. учеб. заведений / О. Н. Брюханов, В. И. Коробко, А. Т. Мелик-Аракелян. М.: ИНФРА-М, 2005. 253 с.
3. История развития гидравлики. Методические указания по дисциплине «Гидравлика». Н. Новгород: Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, 2011. 33 с.
4. Калекин А. А. Основы гидравлики и технической гидродинамики. М.: Мир, 2008. 280 с.
5. Кудинов В.А. Гидравлика: учеб. пособие / В. А. Кудинов, Э. М. Карташов. 3-е изд., стер. М.: Высш. шк., 2008. 199 с.
6. Никитин О. Ф. Гидравлика и гидропневмопривод: учеб. пособие. 2-еизд,,испр. и доп. М.: Изд-во МГТУим. Н. Э. Баумана, 2012. 430 с.
References
1. Bashta Т.М. Hydraulics, hydraulic machines and hydraulic drives: a tutorial for building engineering universities. 2nd ed., rev. M:Mechanical engineering, 1982. 423p.
2. Bnnihanov O.M. Fundamentals of hydraulics, heat engineering and aerodynamics:a textbook for students of secondary special education/ O.N. Biyuhanov, V.I. Korobko, A.T. Melik-Arakelyan. M.: INFRA-M, 2005. 253 p.
3. The history of the hydraulics. Methodical instructions on discipline "Hydraulics". Nizhniy Novgorod: Nizhegorod state arhit.-building university, 2011. 33p.
4. KalekinAA. Fundamentals of hydraulics and hydrodynamics technical. M.:Mir, 2008. 280 p.
5. Kudinov VA. Hydraulics: Manual / V.A. Kudinov, E.M. Kartashov. 3rd ed., M.: Higher school, 2008. 199 p.
6. Nikitin O.F. Hydraulics and hydrodrive: tutorial. 2nd ed., corrected and add. M.: Publishing House of Moscow State Technical University Bauman, 2012. 430 p.
