Определение науки гидромеханики

Общие закономерности, связывающие механические движения и взаимодействия тел, находящихся в твердом, жидком и газообразном состояниях, изучаются наукой, называемой механикой, являющейся частью физики. В зависимости от состояния тела механика разделяется на отдельные направления.

Законы движения абсолютно твердых тел изучаются в теоретической механике, упругих тел – в теории упругости, пластических тел – в теории пластичности.

Законы движения и равновесия жидкостей и газов изучаются в механике жидкостей и газов, или в гидромеханике. Гидромеханика разделяется на гидростатику и гидродинамику, включающую кинематику жидкости.

Кинематика жидкости – раздел гидромеханики, в котором рассматриваются виды и формы движения жидкостей, не выясняя причин этого движения (поступательное, деформационное и вихревое движения).

В гидростатике изучаются условия равновесия жидкостей и газов.

В гидродинамике изучаются законы движения жидкостей и газов и устанавливаются зависимости для основных факторов движения. Внешние силы, действующие на тело, считаются известными. Требуется определить давление и скорость движения среды.

В гидромеханике в качестве основного метода исследования используется строгий математический анализ. Параллельно гидромеханике (вначале независимо) развивалась наука, называемая гидравликой.

Гидравлика является прикладной инженерной наукой о равновесии и движении жидкостей, базирующейся в основном на экспериментальных данных и использующей приближенные методы расчета. Здесь используются эмпирические и полуэмпирические зависимости (основанные на экспериментальных данных), осредненные величины и прочие допущения, упрощающие рассматриваемую проблему с целью оценки главных характеристик изучаемого явления.

Таким образом, гидромеханика и гидравлика – это две родственные науки, во многих случаях изучающие одинаковые проблемы, но различными методами. Отметим, что в ряде случаев приходится решать проблемы, сочетая методы гидравлики и гидромеханики. Поэтому иногда весьма затруднительно провести границу между этими двумя науками.

Реальные и идеальные жидкости

При скоростях движения жидкостей и газов, значительно меньших скорости звука, для изучения характеристик движения с некоторыми допущениями можно использовать одни и те же законы движения. В связи с этим под термином "жидкость" в дальнейшем будем подразумевать и газы, считая капельные жидкости несжимаемыми жидкостями, а газы – сжимаемыми жидкостями.

Термин "несжимаемая жидкость" для капельных жидкостей связан с тем, что эти жидкости практически не изменяют свой объем с изменением давления. В связи с этим в гидромеханике принято этим изменением объема в капельных жидкостях пренебрегать.

В гидромеханике принимается гипотеза о сплошности жидкости. Условие сплошности выполняется в случае, если размеры рассматриваемых объемов жидкости значительно превосходят характеристики молекул и их движения (размеры, длина свободного пробега и проч.). Следовательно, в гидромеханике отвлекаются от дискретного молекулярно-атомного строения вещества, считая, что все пространство непрерывно заполнено веществом.

Одним из свойств жидкости является текучесть – свойство жидкости принимать форму той емкости, в которой она находится. Текучесть обусловлена тем, что жидкость в покоящемся состоянии неспособна сопротивляться внутренним касательным усилиям, т.е. усилиям, действующим вдоль поверхности сдвига. Следовательно, жидкости мало сопротивляются деформациям сдвига (взаимному скольжению слоев жидкости), т.е. обладают хорошей подвижностью, или текучестью.

Для оценки способности жидкости сопротивляться деформациям сдвига вводится понятие вязкости. Текучесть – это величина, обратная вязкости.

Учет внутреннего трения (вязкости) значительно усложняет изучение законов движения жидкости, в связи с чем в гидромеханике вводится понятие идеальной (невязкой) жидкости. Идеальная жидкость характеризуется абсолютной подвижностью (отсутствием сил взаимодействия между молекулами) и абсолютной неизменяемостью в объеме при изменении температуры или под действием каких-либо сил. Таким образом, в идеальной жидкости отсутствуют касательные напряжения при ее движении, т.е. она не сопротивляется сдвигающим усилиям.

Введение понятия идеальной жидкости оказалось весьма полезным в гидромеханике, ввиду того что для многих математических задач могут быть получены аналитические решения, позволяющие качественно оценить изучаемые процессы в реальной жидкости. Для получения более точных количественных оценок вводятся дополнительные коэффициенты, учитывающие влияние того или иного фактора.

Единицы измерения физических величин, применяемых в гидромеханике

Наука о точных измерениях называется метрологией. В метрологии рассматриваются единицы физических величин, эталоны, служащие для их воспроизведения, способы передачи правильных значений единиц от эталонов к образцовым рабочим мерам и измерительным приборам, методы и средства точных измерений и обработка результатов измерений.

Под физической величиной понимается количественная характеристика физического тела, явления или процесса. Измерением называется действие, выполняемое с помощью средств измерения и имеющее целью нахождение числового значения измеряемой величины в принятых единицах. Единицей измерения называется значение физической величины, принятое за основание сравнения для количественной оценки величин того же рода.

Единицы измерения бывают независимыми (исходными, основными) и производными. Основные – единицы, размер которых устанавливается произвольно, независимо от размеров других единиц. Совокупность единиц, охватывающих все или отдельные области измерения, представляет собой систему единиц. Различные системы единиц отличаются друг от друга тем, какие единицы приняты за основные.

При изучении свойств жидкости необходимо принять определенную систему единиц измерения ее характеристик. С 1 января 1963 г. в нашей стране был введен в действие ГОСТ 9867–61 "Международная система единиц", согласно которому для всех областей науки и промышленности устанавливается Международная система единиц измерения СИ (система интернациональная), принятая в 1960 г. на XI Генеральной конференции по мерам и весам. В этой системе за единицу измерения длины, массы, времени и температуры соответственно приняты метр (м), килограмм (кг), секунда (с), Кельвин (К).

Ранее в гидравлике широко использовались физическая (СГС) и техническая (МКГСС) системы единиц измерения. Основными единицами измерения длины, массы и времени в физической системе приняты сантиметр (см), грамм (г), секунда (с); в технической – метр (м), килограмм-сила (кгс), секунда (с). Ввиду того что во многих учебниках, а также в значительной части технической литературы используются единицы измерения СГС и МКГСС, необходимо иметь таблицу соответствия единиц измерения физических величин в различных системах (табл. 1.1). В табл. 1 .1 приняты следующие обозначения: пз – пуаз; Ст – стоке; Па – паскаль; Н – ньютон; дин – дина; 1 кгс = 9,81 кг • м/с2.

Кроме того, следует отметить, что многие приборы до сих пор проградуированы во внесистемных единицах.

Таблица 1.1

Соответствие единиц измерения физических величин в различных системах