Краткая историческая справка о развитии механики жидкости и газа

К периоду Ренессанса относятся работы нидерландского математика, механика Симона Стевина (1548…1620). В трактате «Начало гидростатики» (1585) он определил величину гидростатического давления на стенки и дно сосуда.

Великий итальянский физик, механик и астроном Галилео Галилей (1564…1642) показал, что гидравлическое сопротивление движению жидкости возрастает с увеличением ее скорости движения и плотности.

К началу XVII века механика жидкости и газа как наука все еще находилась в зачаточном состоянии, но непрерывный процесс развития данной науки, начатый великим Леонардо да Винчи продолжался. Здесь можно отметить имена следующих ученых: Бенетто Кастелли (1577…1644) – в понятной форме изложил принцип неразрывности потока жидкости; Эванджелиста Торичелли (1608…1647) – получил зависимость скорости истечения жидкости через отверстие в сосуде от уровня жидкости и изобрел ртутный барометр.

Известный французский математик и физик Блез Паскаль (1623…1662) в трактате «О равновесии жидкостей» сформулировал закон о распространении давления в жидкости (давление на поверхность жидкости, произведённое внешними силами, передаётся жидкостью одинаково во всех направлениях), вплотную приблизился к формулировке закона о распределении давления в покоящейся жидкости (основного закона гидростатики), сформулировал идею создания гидравлического пресса. Кроме того, он окончательно решил и обосновал вопрос о вакууме.

Гениальный английский физик, астроном и математик Исаак Ньютон (1642…1727) открыл явление сжатия струи при истечении жидкости через отверстие и высказал гипотезу о законе внутреннего трения в жидкости.

Рассматривая историю развития механики жидкости и газа, следует отметить, что путь формирования современных научных знаний был достаточно длительным. Так вопрос о вакууме осознавался человечеством на протяжении 2 тыс. лет: от Аристотеля, неверно осветившего этот вопрос, до Б.Паскаля. Аристотель утверждал, что " природа боится пустоты". В средние века истинность учения Аристотеля была установлена практически в законодательном порядке (даже в XVII веке за выступление против Аристотеля во Франции можно было попасть на каторгу). Например, в те времена считалось, что ядро летит в воздухе потому, что изготовитель вложил в него соответствующую силу. Аристотель учил, что летящую стрелу приводит в движение воздух. По вопросу о пустоте приводился классический пример: вода, поднимающаяся вслед за поршнем, не дает образоваться пустому пространству. Но при сооружении фонтанов во Флоренции с этим примером произошел казус. Обнаружилось, что вода " не желает" подниматься выше 34 футов (10, 3 метра). Основные положения о неразрывности течения жидкости рассматривались 1, 5 тыс. лет от С. Фронтина до Б. Кастелли. Это объясняется тем, что к тому времени не были сформулированы основные положения и понятия физики: масса и сила, инерция, давление атмосферы, законы сохранения энергии, количества движения всемирного тяготения и т.д. Только освоив эти фундаментальные положения, можно легко разобраться в основных положениях механики жидкости и газа.

К середине XVII века благодаря исследованиям ряда выдающихся ученых: Галилея, Коперника, Кеплера, Паскаля, Декарта, Гука, Ньютона, Лебница, Ломоносова и других эти препятствия были устранены и достаточно четко сформулированы основные положения современной теоретической механики. После этого быстро начали создаваться научные основы механики жидкости и газа, которые были заложены тремя крупнейшими учеными VIII века: Даниилом Бернулли, Леонардом Эйлером и Жаном Лероном Д’Аламбером.

Даниил Бернулли (1700…1782), выдающийся физик и математик, с 1725г по 1733 работал в Петербургской Академии наук. Здесь он написал свой знаменитый труд «Гидродинамика, или Записки о силах и движениях жидкостей», который был издан в 1738г. в Страсбурге.

Здесь он вывел знаменитое уравнение, связывающее скорость, давление и вертикальную координату потока жидкости. Это уравнение, носящее имя автора, является не только основным уравнением гидродинамики, но и газовой динамики.

Великий математик и механик Леонард Эйлер (1707…1783) жил и работал в Петербурге с 1727 по 1741г.г. и с 1766г. до конца жизни. Был членом Петербургской Академии наук. Эйлер с помощью строгого математического аппарата обобщил работы предшественников. В фундаментальном труде «Общие начала равновесия и движения жидкости» (1755) им выведены дифференциальные уравнения равновесия и движения идеальной жидкости, носящие в настоящее время имя автора.

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 в его 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.

Наряду с исследованиями равновесия и движения жидкостей аналогичные исследования проводились и с газами. В 1676 г. академик Парижской академии наук физик Эдм Мариот (1620…1684) на основе многочисленных опытов вывел закон об обратной пропорциональности объема газа и давления при постоянной температуре. Этот же закон четырнадцатью годами ранее был сформулирован членом Лондонского королевского общества, крупнейшим химиком Робертом Бойлем (1627…1691). Поскольку эти работы выполнены обоими авторами независимо друг от друга, то закон носит имя обоих ученых. Мариотт впервые использовал полученный закон для определения высоты по показаниям барометра.

Французский химик и физик Жозеф Луи Гей-Люссак (1778…1850) в 1802г. сформулировал закон теплового расширения газов.

Французский физик и инженер Бенуа Клапейрон (1799…1864) вывел уравнение состояния идеального газа, объединив законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссака. Большой интерес представляют работы итальянского физика и химика Амедео Авогадро (1776…1856), который в 1811 г. сформулировал известный закон: моли любых газов при одинаковой температуре и давлении занимают одинаковые объемы.

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

Жан Лерон Д’Аламбер (1717-1783) математик и философ, член Парижской и других академий наук опубликовал ряд трактов, относящихся к равновесию и движению жидкостей. Считают, что он первым отметил возможность кавитации жидкости.

Во второй половине XVIII века во Франции зарождается прикладное направление механики жидкости. Яркими представителями этого направления были: А.Пито (1695…1771) – инженер-гидротехник, член Парижской Академии наук, изобретатель прибора для измерения динамического напора (трубка Пито); А. Шези (1718…1798) – директор Французской школы мостов и дорог, сформулировавший основные показатели подобия потоков и обосновавший формулу для расчета скорости движения жидкости в открытых руслах; Ж. Борда (1733…1799) – военный инженер, исследовал истечения жидкости из отверстий и насадков и определивший потери напора при внезапном расширении потока; П.Дюбуа (1734…1809) – военный инженер-гидротехник, написавший обобщающий труд «Принципы гидравлики».

Прикладное направление механики жидкости и газа развивалось и в других странах. Здесь можно отметить итальянского ученого, профессора Д. Вентури (1746…1822) и немецкого инженера и ученого Р.Вольтмана (1757…1837).

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 существенный вклад 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.

Немецкий ученый П. Блазиус первым показал, что для гидравлически гладких труб коэффициент гидравлического трения зависит только от числа Рейнольда.

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.