3. Історія розвитку гідравліки.

Гідравліка – це наука, яка вивчає закони рівноваги і механічного руху рідин і розробляє методи застосування цих законів для вирішення різних прикладних завдань. Назва «гідравліка» походить від грецьких слів «hydor» - вода і «auylos» - труба, жолоб. Спочатку в поняття «гідравліка» включалося тільки навчання про рух води по трубах. В даний час майже у всіх областях техніки застосовуються різні гідравлічні пристрої, засновані на використанні гідравлічних законів. Найголовніші області застосування гідравліки - гідротехніка, меліорація і водне господарство, гідроенергетика, водопостачання і каналізація, водний транспорт, машинобудування, авіація.

Гідравліка як єдина наука розвивалася до середини XIX століття, а потім розділилася на два напрямки.

Перший напрямок, становлення якого пов'язане з ім'ям Леонарда Ейлера, розглядало механіку рідини як галузь математики і надалі оформилося у вигляді теоретичної механіки рідини.

Другий напрямок почали розвивати французькі інженери, які розглядали механіку рідини як розділ фізики, що має практичне застосування. Цей напрямок надалі оформився у вигляді прикладної механіки рідини або гідравліки, в якій використовуються різні припущення та експериментальні данні.

До числа напрямків технічної механіки рідини відносяться, наприклад, інженерно-будівельний, машинобудівний, харчовий і суднобудівний напрямок, а також гідроавтоматика, аеронавтика, балістика, океанологія, гідравліка підземних вод, магнітна гідродинаміка.

У древньому Єгипті, Індії, Китаї було побудовано канали і водосховища грандіозних на ті часи розмірів. Так, глибина деяких водосховищ в Індії досягала 15 м, в Китаї близько 2500 років тому був побудований Великий канал довжиною близько 1800 км, який з'єднував пригирлові ділянки великих річок країни. У Римі 2300 років тому був побудований перший водопровід.

Землеробство в районах Кавказу і Середньої Азії велося із застосуванням зрошення. Деякі з каналів, побудованих в низов'ях Амудар'ї близько 2000 років тому, використовуються до цих пір.

У Стародавній Греції за 250 років до н.е. з'явилися трактати, в яких робилися спроби дати узагальнення і науковий розвиток питань механіки рідини. Першою науковою працею в області гідравліки вважається трактат Архімеда (287 - 212 рр. до н.е.) «Про плавання тіл». Представник давньогрецької школи Ктезібій (II чи I століття до н.е.) винайшов пожежний насос, духову рушницю, водяний годинник і деякі інші гідравлічні пристрої. Герону Олександрійському (I століття н.е.) належить опис сифона, водяного органу, автомата для дозування рідини.

У Стародавньому Римі будували складні для того часу гідротехнічні споруди: акведуки, системи водопостачання і т. п. У своїх творах римський інженер-будівельник Фронтині (40 - 103 рр. н.е.) вказує, що за часів Траяна в Римі було 9 водопроводів , причому загальна довжина водопровідних ліній складала 436 км.

Період середньовіччя характеризується, як прийнято вважати, регресом, зокрема, і в області гідравлічної науки.

В епоху Відродження в Італії з'являється геніальна особистість - Леонардо да Вінчі (1452 - 1519), який запропонував принцип роботи гідравлічного преса, ввів поняття гідравлічного опору, вивчав аеродинаміку літальних апаратів, утворення водоворотних зон, відображення і інтерференцію хвиль на воді, гідравлічний стрибок, розподіл швидкостей по живому перерізу, вільні струменя, витікання рідини через отвори і водозливи, питання підводного плавання. Леонардо винайшов відцентровий насос, парашут, анемометр.

Розглядаючи період Відродження, слід зазначити нідерландського математика Симона Стевіна (1548 - 1620), який вирішив, зокрема, завдання про величину гідростатичного тиску, що діє на плоску фігуру, а також пояснив так званий гідростатичний парадокс.

Великий італійський фізик Галілео Галілей (1564 - 1642) у 1612 р. опублікував доповідь з гідростатики; він показав, що гідравлічні опори зростають зі збільшенням швидкості руху в воді твердого тіла і з зростанням густини рідкого середовища.

Учень Галілея Еванджеліста Торрічеллі (1608 - 1647) висвітлив принцип витікання рідини з отвору, винайшов ртутний барометр.

Едм Маріотт (1620 - 1684) - французький фізик - склав трактат про рух рідини, в якому, зокрема, розглядав розподіл швидкостей по живому перерізу.

Блез Паскаль (1623 - 1662) - французький математик і фізик - встановив основну аксіому гідростатики і остаточно вирішив питання про вакуум.

Ісаак Ньютон (1643 - 1727) - англійський фізик і математик - дав опис законів внутрішнього тертя рідини і відкрив явище стиснення струменя при витіканні з отвору. Крім того, він вивчав приливно-відпливні явища, а також форму вільної поверхні рідини в посудині що обертається.

Готфрід Вільгельм Лейбніц (1646 - 1716) - німецький математик - ввів уявлення про кінетичну енергію тіла.

Місто Базель (Швейцарія) в 1460 р. став університетським центром і притулком гугенотів. В це місто в 1662 р. з Антверпена прибув гугенот на ім'я Бернуллі. Він і його сини були торговцями. Один з цих синів мав 12 дітей, серед яких було два математика: старший Якоб (1654 - 1705), згодом ректор Базельського університету, і молодший Йоганн (1667 - 1748), який потім став почесним членом Петербурзької академії наук. Йоганн Бернуллі мав двох синів - Миколу і Данила.

Данило Бернуллі (1700 - 1782) - фізик і математик - народився в Гронінгені (Голландія). З 1725 по 1733 рр.. жив у Петербурзі, був професором і почесним членом Петербурзької академії наук. В Петербурзі він написав свою знамениту працю «Гідродинаміка», в якій висвітлив питання рівноваги і несталого руху рідини, вивів закон збереження і втрати енергії її руху та ін.

Леонард Ейлер (1707 - 1783) - математик і фізик; народився в м. Базелі (Швейцарія), навчався у Йоганна Бернуллі і був другом Данила Бернуллі.

У Петербурзі Ейлер жив з 1727 до 1741 рр. і з 1766 р. до кінця життя і був дійсним членом Петербурзької і Паризької академій наук та Лондонського наукового королівського товариства.

Ейлер узагальнив у математичній формі роботи попередніх авторів і дав свої відомі диференціальні рівняння руху і відносної рівноваги рідини.

Жозеф Луї Лагранж (1736 - 1813) - член Паризької і Берлінської академій наук - у 1781 р. опублікував «Наукові записки з теорії руху рідини», в яких ввів поняття потенціалу швидкості і функції струму.

П'єр Симон Лаплас (1749 - 1827) - член Паризької академії наук - розробив теорію хвиль на поверхні рідини, розглянув приливно-відпливні рухи, питання капілярності; Лаплас запропонував оператор, що носить його ім'я.

У кінці XVIII століття у Франції почала складатися школа вчених-інженерів, які розвивали механіку рідини як технічну науку. До кінця XVIII століття ця школа французьких військових інженерів стала першою гідравлічної школою в Європі.

Анрі Піто (1695 - 1771) - французький математик, фізик і гідротехнік - винайшов так званий прилад Піто, який дозволив знаходити розподіл швидкостей в живих перерізах потоку.

Антуан Шезі (1718 - 1798), вирішуючи проблему водопостачання Парижа, склав монографію, в якій сформулював параметри подібності і обґрунтував відому формулу, що носить його ім'я.

Жан Шарль Борда (1733 - 1799) - французький фізик і геодезист - написав роботу «Досвід по опору рідин», в якій підтвердив теорію про квадратичний закон лобового опору рідини твердому тілу, що рухається в ній. Він запропонував особливу насадку для збільшення видатку рідини. Виходячи з уявлень про непружний удар твердих тіл, вивів формулу для втрат напору при різкому розширенні потоку.

П'єр Луї Жорж Дюбуа (1734 - 1809) - французький військовий інженер - у своїх працях роз'яснював різні гідравлічні питання: формулу Шезі, поняття про гідравлічні опори. Дюбуа запропонував обтічну форму мостових биків, а також судів.

Джованні Баттіста Вентурі (1746 - 1822) досліджував витікання з отворів та насадків різної форми і описав картину стиснення транзитного струменя при надходженні рідини з посудини в трубопровід.

Шарль Огюстен де Кулон (1736 - 1806) - член Паризької академії наук, французький військовий інженер - експериментально досліджував гідравлічні опори з урахуванням в'язкості рідини.

Симон Дені Пуассон (1781 - 1840) - французький вчений - довів рівняння Нав'є, займався питаннями про рух хвиль. Він пристосував рівняння рівноваги пружних твердих тіл до течії стисливих рідин.

Луї Марі Анрі Нав'є (1785 - 1836) - французький інженер корпусу «Школи мостів та шляхів» - видав двотомний трактат про будівництво мостів, ввів в рівняння Ейлера додатковий член, що враховує сили взаємодії молекул рідини.

Жан-Батіст Беланже (1789 - 1874) запропонував диференційні рівняння нерівномірного руху води у відкритих призматичних руслах, розглядав гідравлічний стрибок і висунув постулат про максимум витрат у разі водозливу з широким порогом.

Огюстен Луї де Коші (1789 - 1857) - французький математик і інженер - запропонував число Маха (раніше це число називалося числом Коші); випустив «Записки з теорії хвиль», в яких розглядав рівняння Нав'є.

Гаспар Гюстав де Коріоліс (1792 - 1843) - французький вчений-механік - склав сучасне рівняння нерівномірного руху води в непризматичних відкритих руслах і запровадив «коректив кінетичної енергії».

Готтхільф Генріх Людвіг Хаген (1797 - 1884) - німецький інженер - займався проблемою гідравлічних опорів, наголосив на існуванні двох режимів руху рідини.

Адемар Жан-Клод Барре де Сен-Венан (1797 - 1886) - французький вчений у галузі механіки - особливу увагу приділяв руху хвиль, гідравлічним опорам в трубах і відкритих каналах і ввів поняття критичного ухилу. Дав загальні диференційні рівняння для несталої течії води у відкритих руслах.

Жан Луї Марі Пуазейль (1799 - 1869) - французький доктор медицини - отримав формулу для втрат напору при русі рідини в капілярах.

Юліус Вейсбах (1806 - 1871) - саксонець - розглядав питання теорії руху рідини, рівноваги води в судинах, стиснення струменів, потік води в трубах, а також втрати напору при розширенні і стисненні потоку.

Вільям Фруд (1810 - 1879) - англійський інженер - займався дослідженням гідравлічних опорів посудин за допомогою масштабних моделей.

Роберт Маннінг (1816 - 1897) - ірландський інженер - запропонував формулу для визначення коефіцієнта Шезі.

Джордж Габріель Стокс (1819 - 1903) - англійський фізик і математик - дав висновок рівняння Нав'є - Стокса в сучасній формі, ввів в це рівняння динамічний коефіцієнт в'язкості рідини. Стокс досліджував швидкість падіння кулі у в'язку рідину і досліджував хвилі на поверхні розділу різних рідин.

Герман Людвіг Фердинанд Гельмгольц (1821 - 1894) - німецький фізик, математик і фізіолог - заклав фундамент теорії вихрового руху, розглядав внутрішні хвилі. Зробив аналіз деяких потенційних потоків з використанням методу конформних перетворень.

Густав Роберт Кірхгоф (1824 - 1887) - німецький фізик - розповсюдив аналіз Гельмгольца на випадок витікання рідини з отвору і визначив величину коефіцієнта стиснення.

Анрі Еміль Базен (1829 - 1917) - член французького корпусу «Мостів і шляхів» - закінчив дослідження Дарсі, присвячені опорам у відкритих каналах, вивчав поширення хвиль на поверхні і провів дослідження витікання через водозливи.

Жозеф Бусінеска (1842 - 1929) - член Паризької академії наук - розглядав турбулентний рух та інтегрував рівняння безнапірного руху, що плавно змінюється. Розглядав хвилі у відкритих руслах, зокрема, гідравлічний стрибок. Запропонував модель фільтрації води в ґрунті і дав рівняння нерозривності руху ґрунтових вод.

Осборн Рейнольдс (1842 - 1912) - англійський фізик і інженер - вивчав кавітацію на лопатях гвинта, що обертається, швидкість поширення хвиль на вільній поверхні, приливно-відпливні явища. Займався теорією мастила, а також теорією турбулентності. Поширив рівняння Нав'є - Стокса на випадок турбулентного руху, ввівши поняття осереднених і пульсаційних швидкостей, а також турбулентних напруг.

Старовинні літописи та інші джерела містять багато відомостей про будівництво в Росії та в Україні різних споруд на річках, про розвиток водних шляхів, про спроби створення механізмів, що використовують енергію водного потоку, і про інші конструкції, здійснення яких було б неможливо без знання основ гідравліки. Так, ще в X-XI ст. на Русі існували водопроводи з гончарних і дерев'яних труб, в 1115 р. був побудований наплавний міст через Дніпро біля Києва. У XIV-XV ст. застосовувався видобуток води з підземних джерел, обладнаних досить досконалими водопровідними пристроями.

У середні ХVІ століття зводилися численні греблі на річках. Так, в 1516 р. була побудована гребля з каменю на р. Неглінці в Москві.

Формування гідравліки як науки на міцній теоретичній основі стало можливим тільки після робіт академіків Петербурзької Академії наук. М. В. Ломоносова (1711-1765), Д. Бернуллі (1700-1782) та Л. Ейлера (1707-1783).

М. В. Ломоносов у 1760 р. у дисертації «Міркування про твердість і рідинність тіл» сформулював відкриті їм закони збереження речовини та енергії.

Цікаво, що поряд з геніальними теоретичними роботами М. В. Ломоносова, Д. Бернуллі і Л. Ейлера відомі їх дослідження в області створення гідравлічних приладів і пристроїв. М. В. Ломоносов винайшов універсальний барометр, віскозиметр, прилад для визначення швидкості течій у морі. М. В. Ломоносов займався також удосконаленням гідравлічних машин і пристроїв. Д. Бернуллі винайшов водопідйомник, встановлений у селі Архангельському під Москвою, і піднімав воду на висоту 30 м. Л. Ейлер запропонував конструкцію турбіни, вивів так зване «турбінне рівняння», створив основні праці в теорії корабля.

У 1791 р. в Петербурзі А. Колмаков видав книгу «Кишенькова книжка для обчислення кількості води, що протікає через труби, отвори», яка стала першим довідником з гідравліки.

Перше в Росії навчальний посібник з гідравліки було випущено в 1836 р. П. П. Мельниковим під назвою «Підстави практичної гідравліки або про рух води в різних випадках».

У другій половині XIX ст. в Росії з'являються роботи, що зробили великий вплив на подальший розвиток гідравліки. Професор Казанського університету І. С. Громека (1851-1889) створив основи теорії гвинтових потоків і потоків з поперечною циркуляцією. Д. І. Менделєєв (1834-1907) у своїй праці «Про опір рідини і повітроплаванні» в 1880 р. привів важливі висновки про наявність двох режимів руху рідини (ламінарного та турбулентного). М. Є. Жуковський (1847-1921) створив теорію гідравлічного удару у водопровідних трубах, теорію руху наносів у річках і розробив основоположні пропозиції в області фільтрації.

Микола Павлович Петров (1836 - 1920) опублікував роботу «Тертя в машинах і вплив на нього рідини, яка змащує», де вперше сформулював закони тертя при наявності змащення.

Микола Єгорович Жуковський (1847 - 1921) - російський вчений - опублікував ряд праць з механіки рідини, зокрема, теоретичні дослідження про рух підґрунтових вод, про гідравлічний удар у водопровідних трубах. Створив теорію гідравлічного удару і показав, що поширення тиску в трубі ідентично акустичним явищам. М. Є. Жуковський сформулював теореми, пов'язані з підйомною силою і тяговим зусиллям, діючому на циліндр довільного поперечного перерізу в полі безвихрової течії з постійною циркуляцією.

Іполит Степанович Громека (1851 - 1889) - російський гідромеханік - створив теорію капілярних явищ. Розробив загальний доказ теореми про плавання твердих тіл на межі двох рідин з урахуванням капілярних сил. Заклав основи теорії гвинтових потоків і потоків з поперечною циркуляцією.

Людвіг Прандтль (1875 - 1953) - німецький учений в області прикладної механіки - розробив напівемпіричну теорію турбулентності. Досліджував гідравлічні опори в трубах, дав логарифмічний профіль швидкостей для живих перерізів рівномірного потоку рідини в круглих трубах. Прандтль пояснив «опір форми» при обтіканні тіла з відривом прикордонного шару.

Михайло Вікторович Кирпичов (1879 - 1955) - радянський вчений - сформулював одну з теорем подібності, розробляв теорію моделювання гідравлічних явищ.

Борис Олександрович Бахметьєв (1880 - 1951) - російський вчений - вирішив в досить загальній формі завдання інтегрування диференційного рівняння нерівномірного руху в призматичних руслах.

Теодор фон Карман (1881 - 1963) - син будапештського професора-займався гідравлічними опорами різного виду, відкрив «вихрову доріжку Кармана», розробляв теорію прикордонного шару.

Праці академіка М. М. Павловського (1884-1937) в області рівномірного і нерівномірного руху, фільтрації через земляні греблі і під гідротехнічними спорудами зробили дуже великий внесок у розвиток гідравліки і стали основою, поряд з іншими роботами учнів і послідовників М. М. Павловського в СРСР, для створення інженерної гідравліки, яка широко використовується при розрахунках у гідротехніці.

При дослідженні гідравлічних явищ і розрахунках в гідравліці застосовуються аналітичний та експериментальний методи. В аналітичному методі застосовують рівняння механіки і отримують рівняння руху і рівноваги рідини, що встановлюють залежності між кінематичними та динамічними характеристиками рідини, що рухається. Зважаючи на складність будови рідин, аналітичні дослідження проводяться для модельних рідин, що полегшують застосування рівнянь механіки. Наприклад, застосовується модель нев'язкої рідини, яка на відміну від усіх наявних у природі і в техніці рідин позбавлена властивості в'язкості.

В гідравліці прийнята гіпотеза суцільності рідини. Відповідно до цієї гіпотези, рідина розглядається як континуум, безперервне суцільне середовище. Всі параметри, що характеризують рух рідини, вважаються безперервними разом з їх похідними у всіх точках (крім особливих точок). Завдяки таким передумовам стало можливим отримання диференційних рівнянь рівноваги і руху рідини. Рішення цих рівнянь (у тих випадках, коли його вдається отримати) дозволяє мати дані при механічному русі та рівновазі рідини в будь-якій точці простору, де рухається рідина.

Експериментальні дослідження в гідравліці мають важливе значення. Тут доречно навести слова Леонардо да Вінчі: «Кожного разу, коли маєш справу з водою, перш за все, звернися до досвіду, а потім вже міркуй». Дійсно, роль експериментів в гідравліці вкрай велика. Вивчення гідравлічних явищ на моделях, створених на основі теорії подібності з застосуванням певних методик моделювання, дозволяє отримати дані про параметри, якими буде характеризуватися явище в натуральних умовах. Експериментальні дослідження дозволяють в необхідних випадках уточнити результати, отримані в аналітичних розрахунках, при прийнятті тих чи інших припущень.