.svg/1280px-Hydraulics_and_other_studies_(en).svg.png)
Гидравлика (от древнегреческого ὕδωρ ( húdōr ) « вода » и αὐλός ( aulós ) « труба ») [2] — это технология и прикладная наука, использующая инженерию , химию и другие науки, связанные с механическими свойствами и использованием жидкостей . На самом базовом уровне гидравлика является жидкостным аналогом пневматики , которая касается газов . Механика жидкости обеспечивает теоретическую основу для гидравлики, которая фокусируется на прикладной инженерии, использующей свойства жидкостей. В своих приложениях для гидроэнергетики гидравлика используется для генерации, управления и передачи энергии с использованием жидкостей под давлением . Гидравлические темы охватывают некоторые части науки и большинство инженерных модулей, и они охватывают такие концепции, как поток в трубе , проектирование плотин , гидротехника и схемы управления жидкостью. Принципы гидравлики используются естественным образом в организме человека в сосудистой системе и эректильной ткани . [3] [4]
Гидравлика свободной поверхности — это раздел гидравлики, изучающий свободное поверхностное течение, например, в реках , каналах , озерах , эстуариях и морях . Его подотрасль течение в открытом русле изучает течение в открытых руслах .
Раннее использование гидроэнергии относится к Месопотамии и Древнему Египту , где орошение использовалось с 6-го тысячелетия до н. э., а водяные часы использовались с начала 2-го тысячелетия до н. э. Другие ранние примеры гидроэнергии включают систему кяризов в древней Персии и водную систему Турфана в древней Средней Азии.
В Персидской империи или предыдущих образованиях в Персии персы построили сложную систему водяных мельниц, каналов и плотин, известную как историческая гидравлическая система Шуштара . Проект, начатый ахеменидским царем Дарием Великим и завершенный группой римских инженеров, захваченных в плен сасанидским царем Шапуром I , [5] был назван ЮНЕСКО «шедевром творческого гения». [5] Они также были изобретателями [6] кяризов , подземного акведука, около 9 века до н. э. [7] Несколько больших древних садов Ирана орошались благодаря кяризам. [8]
Канат распространился на соседние территории, включая Армянское нагорье . Там, начиная с начала VIII века до н. э., королевство Урарту провело значительные гидравлические работы, такие как канал Менуа . [9] [7] [10]
Самые ранние свидетельства существования водяных колес и водяных мельниц относятся к древнему Ближнему Востоку и относятся к IV в. до н. э. [11], в частности, к Персидской империи до 350 г. до н. э., в регионах Ирака , Ирана [12] и Египта [ 13] .
В Древнем Китае были Суньшу Ао (6 век до н. э.), Симэнь Бао (5 век до н. э.), Ду Ши (около 31 года н. э.), Чжан Хэн (78 – 139 годы н. э.) и Ма Цзюнь (200 – 265 годы н. э.), а в средневековом Китае были Су Сун (1020 – 1101 годы н. э.) и Шэнь Ко (1031–1095 годы). Ду Ши использовал водяное колесо для приведения в действие мехов доменной печи, производящей чугун . Чжан Хэн был первым, кто применил гидравлику для обеспечения движущей силы при вращении 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 сброса воды приписывается изобретательности более 2000 лет назад. [17] К первому веку нашей эры было завершено несколько крупномасштабных ирригационных работ. [18] Макро- и микрогидравлика для обеспечения внутренних садоводческих и сельскохозяйственных нужд, поверхностного дренажа и контроля эрозии, декоративных и рекреационных водотоков и подпорных сооружений, а также систем охлаждения была установлена в Сигирии , Шри-Ланка. Коралл на массивной скале на этом месте включает в себя цистерны для сбора воды. Крупные древние водохранилища Шри-Ланки: Калавева (король Дхатусена), Паракрама Самудра (король Паракрама Баху), Тиса Вева (король Дутугамуну), Миннерия (король Махасен)
В Древней Греции греки построили сложные системы водоснабжения и гидроэнергетики. Примером может служить строительство Эвпалиносом по государственному контракту оросительного канала для Самоса , Туннеля Эвпалиноса . Ранним примером использования гидравлического колеса, вероятно, самым ранним в Европе, является колесо Перахоры (III в. до н. э.). [19]
В греко-римском Египте примечательно создание первых гидравлических машин- автоматов Ктесибием ( расцвет около 270 г. до н. э.) и Героном Александрийским (около 10–80 гг. н. э.). Геро описывает несколько рабочих машин, использующих гидравлическую энергию, таких как силовой насос , который известен из многих римских мест как использовавшийся для подъема воды и в пожарных машинах. [20]
В Римской империи были разработаны различные гидравлические приложения, включая общественное водоснабжение, бесчисленные акведуки , электроэнергию с использованием водяных мельниц и гидравлическую добычу . Они были одними из первых, кто использовал сифон для переноса воды через долины, и использовали шунтирование в больших масштабах для разведки и последующей добычи металлических руд . Они широко использовали свинец в водопроводных системах для бытового и общественного снабжения, таких как питание терм . [ требуется ссылка ]
Гидравлическая добыча использовалась на золотых приисках северной Испании, которая была завоевана Августом в 25 г. до н. э. Россыпной золотой рудник Лас -Медулас был одним из крупнейших из их рудников. По крайней мере семь длинных акведуков работали там, а водные потоки использовались для размывания мягких отложений, а затем промывки хвостов для получения ценного золотого содержания. [21] [22]
В мусульманском мире во время исламского Золотого века и арабской сельскохозяйственной революции (VIII–XIII 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, включая сукновальни , мельницы для муки , бумажные фабрики , шелушильные станы , лесопилки , судовые мельницы , штамповочные станы , сталелитейные заводы , сахарные заводы и приливные мельницы . К XI веку в каждой провинции исламского мира работали эти промышленные мельницы, 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 водоподъемных машинах и были пионерами в использовании плотин в качестве источника гидроэнергии, используемой для обеспечения дополнительной мощности водяных мельниц и водоподъемных машин. [26]
Аль-Джазари (1136–1206) описал проекты 50 устройств, многие из которых работали на воде, 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 кувшинами и возвратно-поступательное устройство с шарнирными клапанами. [27]
Самые ранние программируемые машины были устройствами с водяным приводом, разработанными в мусульманском мире. Музыкальный секвенсор , программируемый музыкальный инструмент , был самым ранним типом программируемой машины. Первым музыкальным секвенсором был автоматизированный флейтист с водяным приводом, изобретенный братьями Бану Муса , описанный в их «Книге гениальных устройств » в IX веке. [28] [29] В 1206 году Аль-Джазари изобрел программируемые автоматы/ роботы с водяным приводом . Он описал четырех музыкантов -автоматов , включая барабанщиков, управляемых программируемой драм-машиной , где их можно было заставить играть разные ритмы и разные барабанные паттерны. [30]
В 1619 году Бенедетто Кастелли , ученик Галилео Галилея , опубликовал книгу Della Misura dell'Acque Correnti или «Об измерении текущих вод», одну из основ современной гидродинамики. Он служил главным консультантом Папы по гидравлическим проектам, т. е. управлению реками в Папской области, начиная с 1626 года. [31]
Наука и техника воды в Италии с 1500 по 1800 год в книгах и рукописях представлена в иллюстрированном каталоге, опубликованном в 2022 году. [32]
Блез Паскаль (1623–1662) изучал гидродинамику и гидростатику жидкости, сосредоточившись на принципах гидравлических жидкостей. Его открытие теории, лежащей в основе гидравлики, привело к изобретению им гидравлического пресса , который умножал меньшую силу, действующую на меньшую площадь, на приложение большей силы, суммированной на большей площади, передаваемой через одинаковое давление (или точное изменение давления) в обоих местах. Закон или принцип Паскаля гласит, что для несжимаемой жидкости в состоянии покоя разница в давлении пропорциональна разнице в высоте, и эта разница остается той же самой, независимо от того, изменяется ли общее давление жидкости путем приложения внешней силы. Это означает, что при увеличении давления в любой точке ограниченной жидкости происходит равное увеличение на каждом другом конце контейнера, т. е. любое изменение давления, приложенное в любой точке жидкости, передается неизменным по всей жидкости.
Французский врач Пуазейль (1797–1869) исследовал поток крови по телу и открыл важный закон, регулирующий скорость потока в зависимости от диаметра трубки, в которой происходит поток. [33] [ необходима цитата ]
Несколько городов разработали общегородские гидравлические сети в 19 веке для работы машин, таких 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 промышленных масштабах. В Лондоне London Hydraulic Power Company [36] была основным поставщиком своих труб, обслуживая большую часть Вест-Энда Лондона , Сити и доков , но были схемы, ограниченные отдельными предприятиями, такими как доки и железнодорожные грузовые дворы .
После того, как студенты понимают основные принципы гидравлики, некоторые учителя используют гидравлическую аналогию , чтобы помочь студентам изучить другие вещи. Например:
Сохранение требуемой массы в сочетании со сжимаемостью жидкости приводит к фундаментальной связи между давлением, потоком жидкости и объемным расширением, как показано ниже: [37]
Если предположить, что жидкость несжимаема или имеет место «очень большое» отношение сжимаемости к объему содержащейся жидкости, то конечная скорость повышения давления требует, чтобы любой чистый поток в собранный объем жидкости создавал изменение объема.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )
