Механика жидкости и газа

Теоретический вопрос № 2

Какой вклад внесли российские и белорусские ученые в развитие

механики жидкости и газа?

 

В XVIII веке вклад в развитие механики жидкости и газа начинают вносить и русские ученые. Гениальный русский ученый, академик Петербургской Академии наук Михаил Васильевич Ломоносов (1711…1765) внес значительный вклад в развитие этой науки. В своей диссертации «Рассуждение твердости и жидкости тел» (1760) он изложил закон сохранения массы и энергии, лежащей в основе механики жидкости и газа. Многочисленные вопросы механики жидкости и гидротехники нашли вего работах: «О превращении твердого тела в жидкое, в зависимости от движения предшествующей жидкости (1738), «Первые основания металлургии или рудных дел» (1762). М.В.Ломоносов известен как изобретатель «инструмента для исследования жидких материй по числу капель» - прообраза современного вискозиметра.

Великий русский ученый Д.И.Менделеев (1834…1907) объединил  уравнение Клапейрона и закон Авогадро получил уравнение состояния идеального газа, называемое уравнением Клапейрона-Менделеева.

С появлением работ М.В.Ломоносова в Петербургском институте инженеров путей сообщения стала развиваться единственная в России школа инженеров-гидравликов. В 1836г. профессором прикладной механики П.П.Мельниковым (1804…1880) был опубликован первый учебник по гидравлике, а в 18855г. им была создана первая в России учебная гидравлическая лаборатория. Приемникам П.П.Мельникова стали профессора того же института В.С.Глухов, Н.М.Соколов, П.Н.Котляревский, Ф.Е.Максименко и Г.К.Мерчинг.

Значительный вклад в развитие механики жидкости иакже внесли выдающиеся русские ученые Н.П.Петров, Н.Е.Жуковский и И.С.Громека. Н.П. Петров (1836…1920) – выдающийся русский ученый, почетный член Петербургской Академии наук в фундаментальном труде «Трение в машинах и влияние на него смазывающей жидкости» (1883) впервые сформулировал законы трения при наличии смазки, теоретически обосновал гипотезу И.Ньютона о внутреннем трении в жидкости.

Великий русский ученый, профессор Московского высшего технического училища и Московского университета Н.Е. Жуковский (1847…1921) разработал теорию гидравлического удара, теорию движения грунтовых вод, рассчитал подъемную силу крыла самолета и определил наивыгоднейшие профили крыльев и винта.

Профессор Казанского университета И.С. Громека (1851…1889) всесторонне исследовал капиллярные явления и разработал теорию винтовых потоков, наряду с теоретическими исследованиями выполнялись и практические инженерные работы.

Наряду с теоретическими исследованиями решались и практические задачи. В 1682г. во Франции на реке Сене была сооружена крупнейшая для того времени гидроэнергетическая установка, состоящая из 13 колес диаметром по 8м и проводившая более 200 насосов для подачи воды на высоту свыше 160м. Этой водой питались фонтаны Версаля и Марли.

Во второй половине XVIII века под руководством русского изобретателя – самоучки К.Д.Фролова были построены уникальные гидротехнические

сооружения для откачки воды на серебряных рудниках Алтая, подъема руды из шахт и привода лесопилки. Центробежный вентилятор в России был впервые построен в 1832 г. горным инженером А.А. Саблуковым, который он через три года успешно применил для проветривания Чигирского рудника на Алтае.

В XIX веке быстро прогрессировала и разрасталась школа механики жидкости в Европе. Особо следует отметить роль французских инженеров путей сообщения Л.Навье, О.Каши, А.Сен-Венана, А.Дарси и других.

Немецкий ученый Г.Хаген в 1869 г. впервые установил существование двух режимов течения жидкости. Через 11 лет Д.И.Менделеев независимо от Хагена также отметил наличие двух режимов движения жидкости, характеризующихся различными внутренними потерями энергии на трение. Наиболее полное описание этих режимов (ламинарного и турбулентного) дал в 1881-83г.г. английский физик О. Рейнальдс. Он получил критерий, позволяющий расчетным путем определить режим течения. Этот критерий в настоящее время носит имя автора. В XX веке происходит дальнейшее формирование механики жидкости и газа как целостной науки. Здесь следует отметить немецкого ученого профессора Ф. Форхгеймера (1852-1933), внесшего большой вклад в исследование гидравлических сопротивлений и фильтрации воды. Немецкий инженер, профессор Л.Прандтль (1875-1953) разработал полуэмпирическую теорию турбулентности, исследовал потери энергии в трубах, внес существенныйвклад в разработку теории пограничного слоя. Русский ученый, профессор Петербургского политехнического института Б.А.Бахметьев (1880-1951) опубликовал ряд книг по механике жидкости, в которых заложил основы современной русской гидравлической школы.

Советский ученый, академик – Н.Н.Павловский (1886-1937) разработал основы теории фильтрации воды в грунтах, издал первый в России «Гидравлический справочник». Предложенный им метод электрогидродинамических аналогий по существу является прообразом аналоговой вычислительной техники.

Глубокие теоретические и экспериментальные исследования в области механики жидкости и газа в XX веке также проведены И.И.Агроскиным, А.И.Богомоловым, М.А.Великановым, Л.Г.Лойцянским, Д.Тейлором, А.Н.Колмогоровым, С.А.Христиановичем, Р.Р.Чугаевым, Г.А.Муриным, Т.А.Башта, Ф.А.Шевелевым, А.Д.Альтшулом, Б.Б.Некрасовым и многими другими.

Значительный вклад в развитие механики жидкости и газа внесли и белорусские ученые. Во второй половине XX века профессором Белорусского политехнического института (сейчас Белорусский национальный технический университет) Метлюком Н.Ф. разработаны методы динамического расчета гидравлических и пневматических цепей.

На рубеже XX и XXI веков профессором Белорусско – Российского университета В.П.Тарасиком разработаны структурно – матричный метод динамических расчетов гидравлических и пневматических макроуровневых систем, работающих как самостоятельно, так и во взаимодействии с механическими и электрическими системами.

Задача № 9

В канале прямоугольного сечения шириной B установлен плоский затвор (рисунок 2). Каким должен быть вес груза G, чтобы при наполнении канала водой на глубину H затвор открылся. Масса затвора равна m, а коэффициент трения в направляющих затвора f=0,3. Построить эпюру гидростатического давления воды на затвор.

Дано

 

 

 

 

Определить: G

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение

Определим силу давления жидкости на затвор:

 

Затвор начнет открываться, когда вес затвора превысит сумму силы

трения затвора в направляющих и вес затвора, т.е.