ПРЕДМЕТ МЕХАНИКИ ЖИДКОСТИ

Механика жидкости (гидромеханика, от греч. hydor — вода) — раздел механики, изучающий движение и равновесие жидкости, а также взаимодействие между жидкостью и твердыми телами, полностью или частично погруженными в жидкость.*

Гидромеханика тесно связана с такой прикладной наукой как гидравлика.

Гидравлика — наука, изучающая законы равновесия и движения жидкостей и способы приложения этих законов к решению задач инженерной практики.

В отличие от строгой теоретической гидромеханики, гидравлика характеризуется таким подходом к изучению движения или равновесия жидкостей, при котором устанавливаются приближенные зависимости, во многих случаях ограниченные рассмотрением одномерного движения. При этом как в лабораторных, так и в натурных условиях широко используется эксперимент. Наряду с некоторым различием гидромеханика и гидравлика все более сближаются: с одной стороны, гидромеханика все чаще обращается к эксперименту, с другой, — методы гидравлического анализа становятся более строгими. В этой связи гидравлику называют технической или прикладной гидромеханикой. В настоящем курсе мы будем рассматривать механику жидкости именно как прикладную науку, дающую в руки специалиста аппарат решения инженерных задач. Поэтому далее будем использовать оба термина «гидромеханика» и «гидравлика», подразумевая одну и ту же науку.

Гидромеханика, как любой раздел механики, состоит из статики (гидростатики) и динамики (гидродинамики), в гидродинамике выделяют кинематику, динамику невязкой (идеальной) и вязкой (реальной) жидкости. В гидромеханике рассматриваются потоки жидкости, ограниченные и направленные твердыми стенками, т.е. течения в открытых и закрытых руслах. В понятие «русло» мы будем включать все те стенки, которые ограничивают и направляют поток, следовательно,
не только русла рек, каналов и лотков, но и различные трубопроводы, насадки, элементы гидравлических машин и других устройств, внутри которых протекает жидкость. В гидромеханике изучаются также задачи, связанные с внешним обтеканием тел сплошной средой, которое имеет место при движении твердого тела в жидкости или газе.

Следует отметить, что термину «жидкость» в механике жидкости придают более широкий смысл, чем это принято в обыденной жизни. В понятие «жидкость» включают все физические тела, для которых характерно свойство текучести, т.е. способность сколь угодно сильно изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил. Таким образом, в это понятие включают как жидкости обычные,
называемые капельными, так и газы.

Важной особенностью капельных жидкостей является то, что они ничтожно мало изменяют свой объем при изменении давления, поэтому их обычно считают несжимаемыми. Газы, наоборот, способны к весьма значительному уменьшению своего объема под действием давления и к неограниченному расширению при его отсутствии, т.е. обладают большой сжимаемостью. Несмотря на это различие, законы движения капельных жидкостей и газов при определенных условиях можно считать одинаковыми. Основным из этих условий является малое значение скорости течения газа по сравнению со скоростью распространения в нем звука.

В механике жидкости изучаются движения, главным образом, капельных жидкостей, причем, в подавляющем большинстве случаев последние рассматриваются как несжимаемые. Что же касается внутренних течений
газа, то они относятся к области механики жидкости лишь в тех случаях,
когда скорости их течения значительно меньше скорости звука и, следовательно, когда сжимаемостью газа можно пренебрегать. Такие случаи движения газа встречаются на практике достаточно часто. Это, например, течение воздуха в вентиляционных системах и некоторых газопроводах.

В дальнейшем изложении под термином «жидкость» будем понимать капельную жидкость, а также газ, когда его можно считать несжимаемым. Исследование движения жидких и газообразных тел является более сложной задачей, чем исследование движения твердого тела. Это становится понятным, если учесть, что в механике твердого тела мы имеем систему жестко связанных между собой частиц, тогда как в механике жидкостей рассматривается среда, состоящая из множества подвижных друг относительно друга частиц. Вследствие этих трудностей историческое развитие механики жидкостей шло двумя различными путями.

Первый путь — путь точного математического анализа, основанного на законах механики, — был чисто теоретический. Он привел к созданию теоретической гидромеханики, науки, которая долгое время являлась самостоятельной дисциплиной, непосредственно не связанной с экспериментом. Теоретический метод является весьма эффективным средством научного исследования, однако он не всегда дает ответы на вопросы, выдвигаемые практикой. Поэтому из насущных задач практической инженерной деятельности родилась другая наука о движении
жидкостей — гидравлика, где исследователи пошли по второму пути — пути широкого привлечения эксперимента и накопления опытных данных для использования их в инженерной практике. В начальный период своего развития гидравлика была наукой эмпирической. В настоящее время там, где это возможно и целесообразно, все больше применяются методы теоретической гидромеханики для решения отдельных задач, а теоретическая гидромеханика все чаще прибегает
к эксперименту как к критерию достоверности своих выводов. Таким образом, различие в методах этих двух наук постепенно исчезает и граница между ними стирается.

В современной гидравлике (технической гидромеханике) разрабатываются методы расчета и проектирования гидротехнических сооружений (плотин, каналов, водосливов, водоводов различного назначения), сооружений водоснабжения и водоотведения (трубопроводов для подачи и отвода всевозможных жидкостей), систем вентиляции, гидравлических машин (насосов, гидротурбин, гидропередач) и других гидравлических устройств.

Велика роль гидравлики и в других отраслях техники, например, в современном машиностроении мы встречаемся с широким использованием гидравлического привода в металлорежущих станках, в кузнечно-прессовом гидрооборудовании, а также с использованием гидравлики при литье металлов, пластмасс и пр. В авиакосмической отрасли огромное значение имеет надежность гидравлического оборудования: гидропередач, топливных и масляных систем, гидропневмоамортизации и др.

Для того, чтобы хорошо понимать работу гидравлических систем и сооружений, грамотно их эксплуатировать, уметь устанавливать причины аварий и находить пути их устранения, а тем более для того, чтобы проектировать и рассчитывать эти системы, нужно иметь соответствующую подготовку в области гидравлики. Такая подготовка является целью изучения дисциплины «Гидравлика».