.svg/1280px-Hydraulics_and_other_studies_(en).svg.png)
Гидравлика (от древнегреческого ὕδωρ ( húdōr ) « вода » и αὐλός ( aulos ) « труба ») [2] — технология и прикладная наука , использующая инженерное дело , химию и другие науки, включающие изучение механических свойств и использование жидкостей . На самом базовом уровне гидравлика является жидким аналогом пневматики , которая касается газов . Механика жидкости обеспечивает теоретическую основу гидравлики, которая фокусируется на прикладной технике с использованием свойств жидкостей. В приложениях гидравлической энергетики гидравлика используется для генерации, управления и передачи энергии с помощью жидкостей под давлением . Гидравлические темы охватывают некоторые области науки и большинство инженерных модулей и охватывают такие концепции, как поток труб , проектирование плотин , гидродинамика и схемы управления жидкостью. Принципы гидравлики естественным образом используются в человеческом организме в сосудистой системе и эректильной ткани . [3] [4]
Гидравлика свободной поверхности — это раздел гидравлики, изучающий свободное поверхностное течение, возникающее, например, в реках , каналах , озерах , эстуариях и морях . Его поток в открытом канале подполя изучает поток в открытых каналах .
Раннее использование энергии воды восходит к Месопотамии и Древнему Египту , где орошение использовалось с 6-го тысячелетия до нашей эры, а водяные часы использовались с начала 2-го тысячелетия до нашей эры. Другие ранние примеры гидроэнергетики включают систему Канат в древней Персии и водную систему Турфан в древней Центральной Азии.
В Персидской империи или предыдущих образованиях Персии персы построили сложную систему водяных мельниц, каналов и плотин, известную как Историческая гидравлическая система Шуштар . Проект, начатый царем Ахеменидов Дарием Великим и завершенный группой римских инженеров, захваченных сасанидским царем Шапуром I , [5] был назван ЮНЕСКО «шедевром творческого гения». [5] Они также были изобретателями [6] Каната , подземного акведука, примерно в 9 веке до нашей эры . [7] Благодаря Канату были орошены несколько крупных древних садов Ирана. [8]
Канат распространился на соседние территории, в том числе на Армянское нагорье . Там, начиная с начала 8 века до нашей эры, Королевство Урарту провело значительные гидротехнические сооружения, такие как канал Менуа . [9] [7] [10]
Самые ранние свидетельства водяных колес и водяных мельниц относятся к древнему Ближнему Востоку в 4 веке до нашей эры, [11] в частности, в Персидской империи до 350 года до нашей эры, в регионах Ирака , Ирана , [12] и Египта . [13]
В древнем Китае жили Суньшу Ао (6 век до н. э.), Симэнь Бао (5 век до н. э.), Ду Ши (около 31 г. н. э.), Чжан Хэн (78–139 гг. н. э.) и Ма Цзюнь (200–265 гг. н. э.), а средневековые В Китае были Су Сун (1020–1101 гг. н. э.) и Шэнь Го (1031–1095 гг.). Ду Ши использовал водяное колесо для привода в действие сильфонов доменной печи , производившей чугун . Чжан Хэн был первым, кто применил гидравлику для обеспечения движущей силы вращения армиллярной сферы для астрономических наблюдений . [14] [15]
В древней Шри-Ланке гидравлика широко использовалась в древних королевствах Анурадхапура и Полоннарува . [16] Открытие принципа клапанной башни или клапанной ямы (Bisokotuwa на сингальском языке) для регулирования утечки воды приписывают изобретательности более 2000 лет назад. [17] К первому веку нашей эры было завершено несколько крупномасштабных ирригационных работ. [18] Макро- и микрогидравлика для удовлетворения бытовых нужд садоводства и сельского хозяйства, поверхностный дренаж и борьба с эрозией, декоративные и рекреационные водотоки и подпорные конструкции, а также системы охлаждения были установлены в Сигирии , Шри-Ланка. Коралл на массивной скале на этом месте включает в себя цистерны для сбора воды. Крупными древними водоемами Шри-Ланки являются Калавева (король Дхатусена), Паракрама Самудра (король Паракрама Баху), Тиса Вева (король Дутугамуну), Миннерия (король Махасен).
В Древней Греции греки построили сложные водные и гидравлические энергетические системы. Примером может служить строительство Эупалиносом по государственному контракту водопояного канала для Самоса , Туннеля Эупалиноса . Ранним примером использования гидравлического колеса, вероятно, самым ранним в Европе, является колесо Перахора (3 век до н. э.). [19]
В греко-римском Египте примечательно строительство первых гидравлических машин- автоматов Ктесибием (процветал около 270 г. до н.э.) и Героем Александрийским (ок. 10–80 гг. н.э.) . Герой описывает несколько рабочих машин, использующих гидравлическую энергию, таких как силовой насос , который известен во многих римских памятниках как используемый для подъема воды и в пожарных машинах. [20]
В Римской империи были разработаны различные применения гидравлики, включая общественное водоснабжение, бесчисленные акведуки , энергетику с использованием водяных мельниц и гидравлическую добычу полезных ископаемых . Они были одними из первых, кто использовал сифон для транспортировки воды по долинам, и широко применяли глушение для разведки и последующей добычи металлических руд . Они широко использовали свинец в водопроводных системах бытового и общественного водоснабжения, например, в парилках . [ нужна цитата ]
Гидравлическая добыча использовалась на золотых приисках северной Испании, завоеванных Августом в 25 г. до н.э. Россыпной золотой рудник Лас Медулас был одним из крупнейших их рудников. Его обслуживали как минимум семь длинных акведуков, а водные потоки использовались для размывания мягких отложений, а затем для промывки хвостов на предмет ценного содержания золота. [21] [22]
В мусульманском мире во время Золотого века ислама и Арабской сельскохозяйственной революции (8–13 вв.) инженеры широко использовали гидроэнергетику, а также раннее использование приливной энергии [23] и крупных гидравлических заводских комплексов. [24] В исламском мире использовались различные промышленные мельницы с водяным приводом, в том числе сукновалочные , мельницы , бумажные фабрики , шелушители , лесопилки , судовые мельницы , штампованные мельницы , сталелитейные заводы , сахарные заводы и приливные мельницы . К 11 веку эти промышленные мельницы работали в каждой провинции исламского мира, от Аль-Андалуса и Северной Африки до Ближнего Востока и Центральной Азии . [25] Мусульманские инженеры также использовали водяные турбины , использовали шестерни в водяных мельницах и водоподъёмных машинах, а также были пионерами в использовании плотин в качестве источника гидроэнергии, используемой для подачи дополнительной энергии на водяные мельницы и водоподъёмные машины. [26]
Аль-Джазари (1136–1206) описал конструкции 50 устройств, многие из которых были с водяным приводом, в своей книге « Книга знаний об изобретательных механических устройствах» , включая водяные часы, устройство для подачи вина и пять устройств для подъема воды. из рек или бассейнов. К ним относятся бесконечная лента с прикрепленными к ней кувшинами и возвратно-поступательное устройство с шарнирными клапанами. [27]
Самыми ранними программируемыми машинами были устройства с водяным приводом, разработанные в мусульманском мире. Музыкальный секвенсор , программируемый музыкальный инструмент , был самым ранним типом программируемой машины. Первым музыкальным секвенсором был автоматический флейтист с водяным приводом, изобретенный братьями Бану Муса и описанный в их «Книге гениальных устройств» в 9 веке. [28] [29] В 1206 году Аль-Джазари изобрел программируемые автоматы/ роботы с водяным приводом . Он описал четырех музыкантов -автоматов , в том числе барабанщиков, управляемых программируемой драм-машиной , которую можно было заставить играть разные ритмы и разные рисунки ударных. [30]
В 1619 году Бенедетто Кастелли , ученик Галилео Галилея , опубликовал книгу Della Misura dell'Acque Correnti или «Об измерении проточной воды», одну из основ современной гидродинамики. Начиная с 1626 года он служил главным консультантом Папы по гидравлическим проектам, т. е. по управлению реками в Папской области. [31]
Наука и техника использования воды в Италии 1500–1800 годов в книгах и рукописях представлена в иллюстрированном каталоге, опубликованном в 2022 году. [32]
Блез Паскаль (1623–1662) изучал гидродинамику и гидростатику жидкости, сосредоточив внимание на принципах гидравлических жидкостей. Его открытие теории гидравлики привело к изобретению гидравлического пресса , который умножал меньшую силу, действующую на меньшую площадь, в приложение большей силы, суммируемой на большей площади, передаваемой через то же давление (или точное изменение давления). ) в обоих местах. Закон или принцип Паскаля гласит, что для покоящейся несжимаемой жидкости разница давлений пропорциональна разнице высот, и эта разница остается неизменной независимо от того, изменяется ли общее давление жидкости под действием внешней силы. Это означает, что при увеличении давления в любой точке ограниченной жидкости происходит одинаковое увеличение на каждом другом конце контейнера, т.е. любое изменение давления, приложенного в любой точке жидкости, передается без уменьшения по всем жидкостям.
Французский врач Пуазей (1797–1869) исследовал поток крови через тело и открыл важный закон, определяющий скорость потока в зависимости от диаметра трубки, в которой происходит поток. [33] [ нужна ссылка ]
В 19 веке в нескольких городах были созданы общегородские гидравлические сети для управления таким оборудованием, как лифты, краны, кабестаны и тому подобное. Джозеф Брама [34] (1748–1814) был одним из первых новаторов, а Уильям Армстронг [35] (1810–1900) усовершенствовал аппарат для подачи энергии в промышленном масштабе. В Лондоне компания London Hydraulic Power Company [36] была основным поставщиком труб, обслуживающих большую часть лондонского Вест-Энда , Сити и доков , но существовали схемы, ограниченные отдельными предприятиями, такими как доки и железнодорожные склады .
После того, как учащиеся поймут основные принципы гидравлики, некоторые учителя используют аналогию с гидравликой , чтобы помочь учащимся изучить другие вещи. Например:
Сохранение требуемой массы в сочетании со сжимаемостью жидкости приводит к фундаментальной взаимосвязи между давлением, расходом жидкости и объемным расширением, как показано ниже: [37]
Предполагая несжимаемую жидкость или «очень большое» отношение сжимаемости к объему содержащейся жидкости, конечная скорость повышения давления требует, чтобы любой чистый поток в собранный объем жидкости создавал объемное изменение.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
