Гидравлика — наука о жидкостях¶

Гидравлика — раздел механики жидкостей и газов, изучающий законы равновесия и движения жидких тел, а также практические методы использования жидкостей для передачи и преобразования энергии. Термин происходит от греческих слов «hydor» (вода) и «aulos» (труба). Слово «гидравлика» в русском языке имеет два основных значения: наука (теоретическая гидравлика) и техническая дисциплина, связанная с созданием устройств и систем, работающих на жидкой рабочей среде (гидротехника, гидравлические машины и приводы).

¶История

Начало гидравлики как науки связано с работами учёных Древней Греции и Древнего Египта. Архимед (III век до н. э.) сформулировал принцип выталкивающей силы, известный как закон Архимеда, и исследовал гидростатическое давление. В средние века гидравлические идеи развивали учёные исламского мира, а в Европе они получили распространение в эпоху Возрождения.

В XVI—XVII веках Блез Паскаль установил закон, согласно которому давление, передаваемое на жидкость, распространяется в ней одинаково во все стороны (закон Паскаля). Это положение стало основой работы гидравлических прессов и приводов. Эванджелиста Торричелли в 1643 году экспериментально определил величину атмосферного давления и сформулировал теорему о скорости истечения жидкости из отверстия.

В XVIII—XIX веках гидравлика получила развитие в трудах Леонарда Эйлера, Даниила Бернулли, Луи Пуазёйля, Осборна Рейнольдса и других учёных. Формула Бернулли (1738 год) связывает скорость течения жидкости с давлением и высотой и остаётся одной из основных в современной гидравлике. Исследования Рейнольдса (1883 год) позволили разделить течения на ламинарные и турбулентные.

В России гидравлику развивали М. В. Ломоносов, Л. Эйлер (работавший в Петербургской академии наук), Н. П. Петров (исследования вязкого трения жидкостей), Н. Н. Павловский и другие. В XX веке важный вклад внесли А. Н. Крылов, С. А. Христианович, а также коллективы ленинградских и московских инженерных школ.

¶Основные понятия и законы

Гидравлика оперирует рядом фундаментальных положений:

• Гидростатическое давление — давление, создаваемое покоящейся жидкостью. Оно зависит от плотности жидкости и глубины: p = ρgh, где ρ — плотность, g — ускорение свободного падения, h — глубина.
• Закон Паскаля — внешнее давление, приложенное к заключённой в сосуд жидкости, передаётся в ней одинаково по всем направлениям.
• Закон Архимеда — тело, погружённое в жидкость, испытывает выталкивающую силу, равную весу вытесненной жидкости.
• Уравнение Бернулли — для установившегося течения идеальной жидкости сумма кинетической, потенциальной энергии и энергии давления постоянна вдоль линии тока.
• Уравнение неразрывности — выражение закона сохранения массы для потока жидкости.
• Закон Гагена — Пуазёйля — описывает ламинарное течение вязкой жидкости в трубопроводе, связывая расход с перепадом давления.

Важное значение имеет число Рейнольдса — безразмерный параметр, определяющий режим течения (ламинарный или турбулентный).

¶Классификация

По характеру решаемых задач гидравлику подразделяют на:

• Гидростатику — изучает равновесие жидкостей и давление в них.
• Гидродинамику — изучает движение жидкостей и газов.

По прикладному значению выделяют:

• Гидротехнику — раздел инженерной науки о сооружениях, использующих энергию воды (плотины, ГЭС, каналы, шлюзы).
• Гидравлические машины — насосы, турбины, гидроприводы.
• Гидравлику транспортных средств — гидростатические и гидродинамические трансмиссии, гидроусилители руля, тормозные системы.

¶Гидравлические системы и оборудование

Практическая гидравлика опирается на замкнутые и открытые гидросистемы. Основные элементы гидравлической системы:

Гидравлические приводы применяются в строительной, дорожной, горной, лесозаготовительной технике, в авиации и космосе (органы управления самолётом), в металлургическом оборудовании (гидравлические прессы усилием до десятков тысяч тонн), в судостроении.

¶Применение

Гидравлика используется практически во всех отраслях техники:

• Энергетика — гидроэлектростанции преобразуют энергию потока воды в электрическую.
• Строительство и горное дело — экскаваторы, бульдозеры, подъёмники, краны работают на гидроприводе.
• Транспорт — тормозные системы железнодорожного и автомобильного транспорта, гидротрансмиссии тракторов и спецтехники.
• Промышленность — гидравлические прессы, литейные машины, прокатные станы.
• ЖКХ и сельское хозяйство — водоснабжение, оросительные системы, дренаж.
• Медицина — гидравлические кресла, хирургические инструменты.

В России гидравлическое оборудование производят предприятия в Перми, Санкт-Петербурге, Ростове-на-Дону, Екатеринбурге и других городах. Отечественные гидравлические машины применяются в тяжёлом машиностроении, энергетике и транспортном строительстве.

¶Образование

В российских технических вузах гидравлика традиционно входит в обязательный курс инженерной подготовки наряду с сопротивлением материалов и теорией механизмов. Крупнейшие центры подготовки специалистов — Санкт-Петербургский политехнический университет, МГТУ им. Н. Э. Баумана, Пермский национальный исследовательский политехнический университет.

Источники:

• Бахшиев Д. А. Гидравлика: учебник для вузов
• Ипполитов С. В., Крапивин Л. Л. Гидравлика
• Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа
• ГОСТ 28732—90. Гидравлика. Термины и определения