Гидроаэромеханика

Гидроаэромеханика — раздел механики, изучающий движение жидких и газообразных сред и их взаимодействие между собой и с граничащими с ними твердыми телами.

В отличие от раздела физики — молекулярно-кинетической теории жидкостей и газов (см. Кинетическая теория) гидроаэромеханика заменяет действительную молекулярную структуру жидкостей и газов идеализированными представлениями о материальной среде, обладающей двумя основными свойствами — сплошностью (непрерывностью) и легкой подвижностью (текучестью). При этом жидкости считают практически несжимаемыми.

Гидроаэромеханика включает два основных раздела. Аэромеханика изучает законы движения воздушной (а, вернее, газообразной) среды и её взаимодействия с движущимися в ней твердыми телами, главным образом близкими по форме к используемым в авиации (крыло, удлиненное тело вращения и т. п.). Гидромеханика — давление и движение несжимаемых жидкостей и взаимодействие их с твердыми телами.

Гидроаэромеханика разделяется на теоретическую и экспериментальную.

При теоретическом исследовании движения жидкостей вычисляются либо координаты отдельных частиц жидкости, рассматриваемых как материальные частицы, сплошь заполняющие объем (представление Лагранжа), либо скорости этих частиц в пространстве, заполненном движущейся жидкостью (представление Эйлера). Представлением Лагранжа пользуются в основном при описании колебательных явлений в жидкости.

Теоретическая аэродинамика базируется на общих уравнениях гидроаэромеханики. При этом для изучения сравнительно простых вопросов движения жидкости или газа вокруг тел и давления потока на них в аэродинамике используют уравнения движения несжимаемой (для малых скоростей) или сжимаемой (для больших скоростей) идеальной жидкости. При рассмотрении более сложных вопросов применяют уравнения движения вязких жидкостей (см. Вязкость).

Главная проблема экспериментальной гидроаэромеханики — изучение взаимодействия жидкостей и газов с твердыми телами, движущимися или покоящимися в них. В основе экспериментальных методов лежат либо аналогии, существующие между движением жидкости и газа и физическими процессами, удобными для воспроизведения, либо моделирование. Изучение потока жидкости или газа в уменьшенном масштабе ведут в аэродинамических трубах, опытовых бассейнах и т. д.

Гидроаэростатика как часть гидроаэромеханики определяет, с какой силой находящиеся в равновесии жидкости или газы действуют на стенки сосуда, а также на погруженные в них тела. Основные законы гидроаэростатики — закон Паскаля: давление на поверхность жидкости (или газа), произведенное внешними силами, передается жидкостью (или газом) одинаково во всех направлениях; закон Архимеда: на всякое тело, погруженное в жидкость (или газ), действует со стороны этой жидкости (или газа) сила, направленная вверх, приложенная к центру тяжести вытесненного объема и равная по величине весу вытесненной телом жидкости (или газа).

Первые представления из области гидроаэромеханики возникли еще в древние времена, поскольку они были необходимы людям в их практической деятельности: в строительстве колодцев, каналов, плотов, лодок, изобретении таких сравнительно сложных по тем временам гидро- и аэродинамических устройств, как весло, парус, насос и др.

Важной проблемой гидроаэромеханики с самого её возникновения стало изучение взаимодействия между средой (водой, воздухом) и движущимися или покоящимися в ней телами. В III в. до н. э. Архимед открыл основной закон гидроаэростатики и создал теорию равновесия жидкостей и газов. Его труды послужили основой для создания ряда гидравлических аппаратов, в частности поршневых насосов.

В эпоху Возрождения Леонардо да Винчи, разрабатывая проекты каналов и ирригационных систем, изучал условия равновесия жидкостей. Наблюдая полеты птиц, он открыл существование сопротивления среды.

В XVII в. французский ученый Б. Паскаль при изучении давления жидкостей и газов установил, что в данной точке жидкости и газа давление действует с одинаковой силой во всех направлениях, и сформулировал закономерности передачи давления жидкостями и газами.

<addc>l</addc>

Первое теоретическое определение закона сопротивления среды принадлежит И. Ньютону, который объяснял сопротивление тела при движении его в жидкости или газе ударами частиц об его лобовую часть. По величине оно равно: [math]R=Sρv^2,[/math] где [math]R[/math] — сопротивление, [math]S[/math] — площадь наибольшего поперечного сечения, [math]ρ[/math] — плотность жидкости или газа, [math]v[/math] — скорость движения тела (или потока).

Однако на практике величина [math]R,[/math] рассчитанная по формуле Ньютона, отличается от значения, полученного на опыте, например, в аэродинамической трубе, так как формула Ньютона не учитывает обтекания тел. В связи с этим в нее вводится поправочный коэффициент [math]C_x[/math] который показывает, во сколько раз сопротивление тела отличается от рассчитанного по формуле: [math]C_x=R/(Sρv^2).[/math] Для тел различной формы (например, пластины, шара и т. д.) [math]C_x[/math] имеет свое постоянное значение, определяемое на опыте.

Следующим крупным вкладом в развитие гидроаэромеханики явилась работа швейцарского ученого Д. Бернулли «Гидродинамика» (1738), в которой он сформулировал закон, до сих пор имеющий важное практическое применение. Согласно этому закону, давление текущей жидкости больше в тех сечениях потока, в которых скорость его движения меньше, и наоборот, в тех сечениях, в которых скорость его движения больше, давление меньше.

В работе Л. Эйлера «Общие принципы движения жидкостей» (1755) были впервые выведены основные уравнения движения идеальной жидкости и дано динамическое определение понятия давления.

В XIX в. общая теория движения твердого тела в жидкости разрабатывалась целым рядом ученых — Г. Кирхгофом, У. Томсоном, Дж. Максвеллом, Н. Е. Жуковским, С. А. Чаплыгиным, А. М. Ляпуновым и другими. Зарождение авиации дало мощный толчок к развитию специального раздела гидроаэромеханики — аэродинамики. Появились работы Н. Е. Жуковского, С. А. Чаплыгина, Ф. Ланчестера, Л. Прандтля по теории движения крыла и винта самолета и всего самолета в целом.

В первой половине XIX в. зародились две новые ветви гидроаэромеханики — динамика вязкой жидкости и газовая динамика.

Основы динамики вязкой жидкости были заложены в 1820‑х гг. французским ученым А. Навье и получили свое завершение в работах английского физика Дж. Стокса. Сформулированный в 1851 г. закон Стокса определяет силу сопротивления [math]F,[/math] испытываемую твердым шаром при его медленном поступательном движении в вязкой жидкости: [math]F=6πηrv,[/math] где [math]η[/math] — коэффициент вязкости жидкости, [math]r[/math] — радиус шара, [math]v[/math] — его скорость. Этот закон используют в молекулярной физике, коллоидной химии, метеорологии. С его помощью можно определить скорость осаждения мелких капель тумана, коллоидных частиц. Его используют для определения коэффициента вязкости очень вязких жидкостей.

Фундаментальное значение для развития газовой динамики имела работа С. А. Чаплыгина «О газовых струях» (1902).

Современная гидроаэромеханика — разветвленная наука, состоящая из множества подразделов, тесно связанная с другими науками — математикой, физикой, химией. Методами гидроаэромеханики решаются разнообразные технические задачи авиации, ракетной техники и т. д.

Теоретические и экспериментальные исследования в области гидроаэромеханики в нашей стране проводятся в ряде институтов и научных центров, и в частности в Центральном аэрогидродинамическом институте, созданном в 1918 г. в Москве.