ГИДРОАЭРОМЕХАНИКА

ГИДРОАЭРОМЕХАНИКА (от
гидроаэро...
и
механика), раздел механики, посвящённый изучению равновесия и движения
жидких и газообразных сред и их взаимодействия между собой и с твёрдыми
телами.

Развитие Г. протекало в тесной связи
с запросами практики. Первые гидротех-нич. устройства (каналы, колодцы)
и плавающие средства (плоты, лодки) появились ещё в доисторич. времена.
Изобретение таких сравнительно сложных аэро- и гидромеханич. устройств,
как парус, весло, руль, насос, также относится к далёкому прошлому. Развитие
мореплавания и воен. дела послужило стимулом к появлению основ механики
и, в частности, Г.

Главной проблемой Г. с самого её возникновения
стало взаимодействие между средой (водой, воздухом) и движущимся или покоящимся
в ней телом. Первым учёным, внёсшим значит, вклад в Г., был Архимед
(3 в. до н. э.), открывший осн. закон гидростатики и создавший
теорию равновесия жидкостей. Труды Архимеда явились основой для создания
ряда гидравлич. аппаратов, в частности поршневых насосов.

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 теоретич. определение закона
сопротивления принадлежит англ, учёному И.
Ньютону,
к-рый 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 относит, скорости скольжения
этих слоев друг по другу.

Установив осн. законы и уравнения динамики,
Ньютон открыл путь для перехода Г. от изучения отд. задач к исследованию
общих законов движения жидкостей и газов. Создателями теоретич. гидродинамики
являются Л. Эйлер и Д.
Бернулли,
к-рые применили известные
уже к тому времени законы механики к исследованию течений жидкостей. Л.
Эйлер впервые вывел осн. ур-ния движения т. н. идеальной, т. е. не обладающей
вязкостью, жидкости. В трудах франц. учёных Ж. Лагранжа
и О. Коши,
нем. учёных Г. Кирхгофа
и Г. Гельмгольца,
англ, учёного
Дж. Сто-кса, рус. учёных Н. Е. Жуковского и С. А. Чаплыгина
и др. были разработаны аналитич. 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 практич. приложений имела разработка
теории волн, возникающих на поверхности жидкости, напр, под действием ветра
или при движении судов и т. п.

Осн. 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. Стоке, 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, к-рые 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,
к-рая 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 нем. учёным Л. Пра-ндтлем (1904). Согласно гипотезе Прандт-ля,
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 пол. 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
темп-ры. Раздел Г., в к-ром изучается движение снимаемых сплошных сред,
паз. 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 хим. состава, наступление эры космич.
полётов в атмосфере Земли и др. планет, увеличение скоростей атомных подводных
лодок - носителей ракетно-ядерного оружия, создание мировой службы погоды
с использованием искусств, спутников Земли, синтез различных естеств. наук
и др. элементы технич. и научного прогресса 20 в. существенно повысили
роль Г. в жизни человечества.

Совр. Г.- разветвлённая наука, состоящая
из мн. 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 т. ч. воздуха,- газовая динамика и аэродинамика.
Разделами Г. являются теория фильтрации и теория волнового движения жидкости.
Технич. 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 технич. задачи авиации,
арт. и ракетной техники, теории корабля и энергомашиностроения, при создании
химич. аппаратов и при изучении биол. процессов (напр., кровообращения),
в гидротехнич. строительстве, в теории горения, в метеорологии и т. п.

Первая осн. 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 физ.-хим. 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, к-рое 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.

Решение практич. задач Г. в различных
отраслях техники производится как экспериментальными, так и тсоретич. методами.
Совр. техника приходит к таким параметрам течения газа или жидкости, при
к-рых часто невозможно создать условия для полного экспериментального исследования
течения на моделях. Тогда в эксперименте производится частичное моделирование,
т. е. исследуются отдельные физич. явления в движущемся газе или жидкости,
имеющие место в действительном течении; определяется физич. модель течения
и находятся необходимые экспериментальные зависимости между характерными
параметрами. Теоретич. методы, осн. на точных или приближённых ур-ниях,
описывающих течение, позволяют объединить, используя данные эксперимента,
все существенные физич. явления в движущемся газе или жидкости и найти
параметры течения с учётом этих явлений для данной конкретной задачи. Высокое
совершенство теоретич. методов стало возможным с появлением быстродействующих
ЭВМ. Применение ЭВМ для решения задач Г. изменило и методы решения. При
пользовании ЭВМ решение производится часто прямым интегрированием исходной
системы ур-нии, описывающей движение жидкости или газа и все физич. процессы,
сопровождающие это движение. Прогресс теоретич. методов Г. и развитие ЭВМ
позволяют решать всё более сложные задачи.

Теоретич. и экспериментальные исследования
в области Г. сосредоточены в крупных ин-тах и науч. центрах. Развитию Г.
в СССР способствовало создание в 1918 в Москве Центрального аэрогидродинамического
института, к-рый возглавил гидроаэромеханич. исследования применительно
к авиации, гидромашиностроению, кораблестроению, пром. аэродинамике и др.

Науч. исследования по Г. проводятся
в МГУ, ЛГУ и др. вузах, а также в многочисленных отраслевых научно-исследовательских
институтах различных министерств и ведомств СССР.

В США осн. н.-и. работа по Г. ведётся
под руководством Нац. к-та по аэронавтике и исследованию космич. пространства
(NASA) в ряде н.-и. центров NASA- им. Маршалла, им. Эймса, им. Льюиса,
им. Лэнгли, им. Годдарда, а также в ун-тах, в лабораториях крупных фирм
и в н.-и. центрах воен.-возд. сил и воеп.-мор. флота США. Крупными центрами
гидроаэромеханич. исследований в Англии являются Королев, об-во аэронавтики
(RAS), Королев, авиац. центр в Фарн-боро (RAE), аэродинамич. отдел Нац.
физич. лаборатории (NPL), Кембриджский и Оксфордский ун-ты. Во Франции
исследования по Г. ведутся под руководством Нац. п.-и. центра в лабораториях,
расположенных в Модан-Авриё, Шале-Медон и др. В ФРГ эти исследования сосредоточены
в Н.-и. авиакосмич. центре в Брауншвейге (DFL), в Экспериментальном авиакосмич.
центре в Порц-Ван (DVL) и в Аэродинамич. исследовательском центре в Гёттингене
(AVA). Серьёзные исследования в области Г. выполняются в Италии, Японии,
Швеции и др. странах.

Результаты теоретич. и экспериментальных
исследований по Г. публикуются в многочисл. научных и технич. периодич.
изданиях. Важнейшими из них являются: в СССР - Доклады АН СССР (серия Математика,
Физика, с 1922), Известия АН СССР (серия Механика жидкостей и газов, с
1966), Прикладная математика и механика (с 1933), в США - Journal of the
American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA Journal, N. Y.,
с 1963), в переводе на рус. яз.- Ракетная техника ц космонавтика (М., с
1961); Journal of Applied Mechanics (N. Y., с 1934), в переводе на рус.
яз.-Прикладная механика. Серияstyle="mso-ansi-font-size: 12.0pt; mso-ansi-language: EN-US">Ёstyle="mso-ansi-font-size: 12.0pt; mso-ansi-language: EN-US">
(Мstyle="mso-ansi-font-size: 12.0pt; mso-ansi-language: EN-US">.,
сstyle="mso-ansi-font-size: 12.0pt; mso-ansi-language: EN-US">
1961); Physics of Fluids (N. Y., сstyle="mso-ansi-font-size: 12.0pt; mso-ansi-language: EN-US">
1958) иstyle="mso-ansi-font-size: 12.0pt; mso-ansi-language: EN-US">дрstyle="mso-ansi-font-size: 12.0pt; mso-ansi-language: EN-US">.;
вstyle="mso-ansi-font-size: 12.0pt; mso-ansi-language: EN-US">Великобританииstyle="mso-ansi-font-size: 12.0pt; mso-ansi-language: EN-US">
- Journal of the Royal Aeronautical Society (L., сstyle="mso-ansi-font-size: 12.0pt; mso-ansi-language: EN-US">
1923), Journal of Fluid Mechanics (L., сstyle="mso-ansi-font-size: 12.0pt; mso-ansi-language: EN-US">
1956); воstyle="mso-ansi-font-size: 12.0pt; mso-ansi-language: EN-US">Францииstyle="mso-ansi-font-size: 12.0pt; mso-ansi-language: EN-US">
- Compte rendus hebdomadaires des seances de 1'Academie des Science (P.,
сstyle="mso-ansi-font-size: 12.0pt; mso-ansi-language: EN-US">
1835), La Recherche aeronautique. style="mso-ansi-font-size: 12.0pt; mso-ansi-language: DE">Bulletin
bimestriel de 1'Office national d'etudes et de recherches aeronautiques
(P., сstyle="mso-ansi-font-size: 12.0pt; mso-ansi-language: DE">
1948); вstyle="mso-ansi-font-size: 12.0pt; mso-ansi-language: DE">ФРГstyle="mso-ansi-font-size: 12.0pt; mso-ansi-language: DE">
- Zeitschrift fur Flugwissenschaften (Braunschweig, сstyle="mso-ansi-font-size: 12.0pt; mso-ansi-language: DE">
1953), вstyle="mso-ansi-font-size: 12.0pt; mso-ansi-language: DE">ГДРstyle="mso-ansi-font-size: 12.0pt; mso-ansi-language: DE">
- Zeitschrift fur angewand-te Mathematik und Mechanik (Вstyle="mso-ansi-font-size: 12.0pt; mso-ansi-language: DE">.,
сstyle="mso-ansi-font-size: 12.0pt; mso-ansi-language: DE">
1921).

Лит.: Лоицянский Л. Г., Механика
жидкости и газа, М.,1970; ПрандтльЛ., Гидроаэромеханика, М., 1949.

С.
Л. Вишневецкий, Д. А. Мельников.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я