Большая Советская Энциклопедия (ГИ) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ" (читаем книги онлайн бесплатно .txt) 📗
Следующий этап развития Г. относится к эпохе Возрождения (16—17 вв.) Леонардо да Винчи сделал первый существенный шаг в изучении движения тел в жидкости или газе. Наблюдая полёт птиц, он открыл существование сопротивления среды. Он считал, что воздух, сжимаясь вблизи передней части тела, как бы «загустевает» и поэтому препятствует движению в нём тел. Сжимаясь под крылом птицы, воздух, по мнению Леонардо, создаёт опору для крыла, благодаря чему возникает сила, поддерживающая птицу в полёте, — подъёмная сила. Б. Паскаль, изучая силу, действующую перпендикулярно к поверхности соприкосновения двух элементарных объёмов жидкости, т. е. давление, установил, что в данной точке жидкости давление действует с одинаковой силой во всех направлениях.
Первое теоретическое определение закона сопротивления принадлежит англ. учёному И. Ньютону, который объяснял сопротивление тела при движении его в газе ударами частиц о лобовую часть тела, а величину сопротивления считал пропорциональной квадрату скорости тела. Ньютон также заметил, что кроме силы, определяемой ударами частиц, существует сопротивление, связанное с трением жидкости о поверхность тела (т. н. сопротивление трения). Рассмотрев силу, действующую вдоль поверхности соприкосновения элементарных объёмов жидкости, Ньютон нашёл, что напряжение трения между двумя слоями жидкости пропорционально относительной скорости скольжения этих слоев друг по другу.
Установив основные законы и уравнения динамики, Ньютон открыл путь для перехода Г. от изучения отдельных задач к исследованию общих законов движения жидкостей и газов. Создателями теоретической гидродинамики являются Л. Эйлер и Д. Бернулли, которые применили известные уже к тому времени законы механики к исследованию течений жидкостей. Л. Эйлер впервые вывел основные уравнения движения т. н. идеальной, т. е. не обладающей вязкостью, жидкости. В трудах французских учёных Ж. Лагранжа и О. Коши, немецких учёных Г. Кирхгофа и Г. Гельмгольца, английского учёного Дж. Стокса, русских учёных Н. Е. Жуковского и С. А. Чаплыгина и др. были разработаны аналитические методы исследования течений идеальной жидкости; эти методы были применены к решению множества важных задач, относящихся к движению жидкости в каналах различной формы, к истечению струй жидкости в пространство, заполненное жидкостью или газом, и к движению твёрдых тел в жидкостях и газах. Большое значение для практических приложений имела разработка теории волн, возникающих на поверхности жидкости, например под действием ветра или при движении судов и т.п.
Основным достижением Г. 19 в. был переход к исследованию движения вязкой жидкости, что было вызвано развитием гидравлики, гидротехники и машиностроения (смазка трущихся частей машин). Опыт показал, что при малых скоростях движения тел сопротивление в основном зависит от сил вязкости. Они же определяют сопротивление при движении жидкостей в трубах и каналах. Стокс, рассматривая деформацию элементарного объёма жидкости при его перемещении, установил, что возникающие в жидкости вязкие напряжения линейно зависят от скорости деформации жидкой частицы. Этот закон, обобщивший закон Ньютона для трения, позволил дополнить уравнения движения Эйлера членами, учитывающими силы, возникающие от действия вязкости жидкостей или газов. Вывод уравнений движения вязких жидкостей и газов (Навье — Стокса уравнений) позволил аналитически исследовать течение реальных (вязких) сплошных сред. Однако решение этих уравнений в общем виде представляет большие трудности и по сей день, поэтому при исследовании течений вязкой жидкости часто прибегают к упрощению задачи путём отбрасывания в уравнениях членов, которые для данного случая не являются определяющими. Большую роль в Г. играют экспериментальные методы. Выяснилось ещё одно важное отличие реальных жидкостей и газов от идеальных — способность переносить тепло, характеризуемая величиной теплопроводности. С помощью методов Г. была создана также теория фильтрации жидкости через грунты, которая играет важную роль в гидротехнике, нефтедобыче, газификации и пр.
Решающее значение для всего дальнейшего развития науки о движении реальных жидкостей и газов, обладающих вязкостью и способных переносить тепло, имеет уравнение пограничного слоя, выведенное впервые немецким учёным Л. Прандтлем (1904). Согласно гипотезе Прандтля, всё действие вязкости сказывается лишь в тонком слое жидкости или газа, примыкающем к обтекаемой поверхности, поэтому вне этого слоя течение реальной вязкой жидкости ничем не отличается от движения идеальной (невязкой) жидкости. Т. о., задача о движении вязкой жидкости или газа разделяется на две: исследование течения идеальной жидкости вне пограничного слоя и исследование течения вязкой жидкости внутри пограничного слоя.
Во 2-й половине 19 в. начало развиваться и др. направление Г. — исследование течений сжимаемой сплошной среды. Почти все жидкости практически несжимаемы, поэтому в процессе движения их плотность остаётся неизменной. Газы, наоборот, очень легко изменяют свой объём, а следовательно и плотность под действием сил давления или при изменении температуры. Раздел Г., в котором изучается движение сжимаемых сплошных сред, называется газовой динамикой. Запросы авиационной (в 1-й четверти 20 в.) и ракетной (во 2-й четверти 20 в.) техники стимулировали развитие аэродинамики и газовой динамики.
Создание ракет и ракетных двигателей на жидком и твёрдом топливе сложного химического состава, наступление эры космических полётов в атмосфере Земли и др. планет, увеличение скоростей атомных подводных лодок — носителей ракетно-ядерного оружия, создание мировой службы погоды с использованием искусственных спутников Земли, синтез различных естественных наук и др. элементы технического и научного прогресса 20 в. существенно повысили роль Г. в жизни человечества. Современная Г. — разветвленная наука, состоящая из многих разделов, тесно связанная с др. науками, прежде всего с математикой, физикой и химией. Движение и равновесие несжимаемых жидкостей изучает гидромеханика, движение газов и их смесей, в том числе воздуха, — газовая динамика и аэродинамика. Разделами Г. являются теория фильтрации и теория волнового движения жидкости. Технические приложения Г. изучаются в гидравлике и прикладной газовой динамике, а приложения законов Г. к изучению климата и погоды исследуются в динамической метеорологии. Методами Г. решаются разнообразные технические задачи авиации, артиллерийской и ракетной техники, теории корабля и энергомашиностроения, при создании химических аппаратов и при изучении биологических процессов (например, кровообращения), в гидротехническом строительстве, в теории горения, в метеорологии и т.п.
Первая основная задача Г. состоит в определении сил, действующих на движущиеся в жидкости или газе тела и их элементы, и определении наивыгоднейшей формы тел. Знание этих сил даёт возможность найти потребную мощность двигателей, приводящих тело в движение, и траектории движения тел. Вторая задача — профилирование (определение наивыгоднейшей формы) каналов различных газовых и жидкостных машин: реактивных двигателей самолётов и ракет, газовых, водяных и паровых турбин электростанций, центробежных и осевых компрессоров и насосов и др. Третья задача — определение параметров газа или жидкости вблизи поверхности твёрдых тел для учёта силового, теплового и физико-химического воздействия на них со стороны потока газа или жидкости. Эта задача относится как к обтеканию тел жидкостью или газом, так и к течению жидкостей и газов внутри каналов разной формы. Четвёртая задача — исследование движения воздуха в атмосфере и воды в морях и океанах, которое производится в геофизике (метеорология, физика моря) с помощью методов и уравнений Г. К ней примыкают задачи о распространении ударных и взрывных волн и струй реактивных двигателей в воздухе и воде.
