Гидравлика. Том 1. Основы механики жидкости

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

3-е издание, исправленное

2019

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

1

2019

УДК 532:627.8
ББК 30.123
          З-91

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор Д.В. Штеренлихт, 

заведующий кафедрой, 
доктор технических наук, профессор Н.В. Ханов, профессор, 

кафедра гидравлики, ФГБОУ ВПО «Московский государственный 

университет природообустройства»; 

кандидат технических наук Н.К. Пономарев, заведующий кафедрой, 
доктор технических наук, профессор Б.А. Животовский, профессор, 

кафедра гидравлики и гидротехнических сооружений, 
ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов»;
доктор технических наук В.В. Беликов, начальник отдела численных 

гидравлических исследований ОАО «НИИЭС»

Зуйков, Андрей Львович.

З-91
Гидравлика : учебник : в 2 томах / А.Л. Зуйков ; М-во науки и выс
шего образования Росс. Федерации, Нац. исследоват. Моск. гос. строит. ун-т. — 3-е изд., испр. — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ, 
2019 — .

ISBN 978-5-7264-1817-9
Т. 1 : Основы механики жидкости. 2019. — 544 с.
ISBN 978-5-7264-1818-6 (т. 1)

Изложен соответствующий государственному образовательному стандар
ту высшего профессионального образования по направлению 08.03.01 Строительство материал курса «Основы механики жидкости», который охватывает первую из трех частей дисциплины «Гидравлика». Раскрыты основные законы равновесия и движения жидкостей.

 Для студентов всех уровней, форм и профилей подготовки в высших учеб
ных заведениях по направлению 08.03.01 Строительство, а также аспирантов, 
инженерно-технических и научных работников в области гидравлики и механики жидкости.

УДК 532:627.8

ББК 30.123

ISBN 978-5-7264-1818-6 (т. 1)
ISBN 978-5-7264-1817-9

© Национальный исследовательский
     Московский государственный 
     строительный университет, 2019,
     с исправлениями

1. Жидкости и их основные физические свойства

ограниченные и направленные твердыми стенками, т.е. течения в открытых и закрытых руслах. В понятие «русло» мы будем включать все
те стенки, которые ограничивают и направляют поток, следовательно, 
не только русла рек, каналов и лотков, но и различные трубопроводы, 
насадки, элементы гидравлических машин и других устройств, внутри
которых протекает жидкость. В гидромеханике изучаются также задачи, связанные с внешним обтеканием тел сплошной средой, которое
имеет место при движении твердого тела в жидкости или газе, и струи.

Следует отметить, что термину «жидкость» в механике жидкости 
придают более широкий смысл, чем это принято в быту.

В понятие «жидкость» включают все физические тела, для которых характерно свойство текучести, т.е. способность сколь
угодно сильно изменять свою форму под действием сколь угодно
малых сил.

Таким образом, в это понятие включают как жидкости обычные, 
называемые капельными, так и газы. 
Важной особенностью капельных жидкостей является то, что они 
ничтожно мало изменяют свой объем при изменении давления. Газы, 
наоборот, способны к весьма значительному уменьшению своего объема
под действием давления и к неограниченному расширению при его отсутствии, т.е. обладают большой сжимаемостью. Несмотря на это различие, законы движения капельных жидкостей и газов при определенных
условиях можно считать одинаковыми. Основным из этих условий является малое значение скорости течения газа по сравнению со скоростью
распространения в нем звука. В механике жидкости изучаются движения, главным образом, капельных жидкостей, причем, в подавляющем
большинстве случаев последние рассматриваются как несжимаемые. Что
же касается течений газа, то они относятся к области механики жидкости лишь в тех случаях, когда сжимаемостью газа можно пренебрегать.
Такие случаи движения газа встречаются на практике достаточно часто.
Это, например, течение воздуха в вентиляционных системах, некоторых
газопроводах или при обтекании летательных аппаратов на этапах полета: взлет и посадка.

В дальнейшем изложении

под термином «жидкость» будем понимать капельную жидкость,
а также газ, когда его можно считать несжимаемым.

Исследование движения жидких и газообразных тел является более
сложной задачей, чем исследование движения твердого тела. Это стано

1.1. Предмет механики жидкости

вится понятным, если учесть, что в механике твердого тела мы имеем
систему жестко связанных между собой частиц, тогда как в механике
жидкостей рассматривается среда, состоящая из множества подвижных
друг относительно друга частиц. Вследствие этих трудностей историческое развитие механики жидкостей шло двумя различными путями.
Первый путь — путь точного математического анализа, основанного
на законах механики, — был чисто теоретический. Он привел к созданию теоретической гидромеханики, науки, которая долгое время являлась самостоятельной дисциплиной, непосредственно не связанной
с экспериментом. Теоретический метод является весьма эффективным
средством научного исследования, однако он не всегда дает ответы на 
вопросы, выдвигаемые практикой. Поэтому из насущных задач практической инженерной деятельности родилась другая наука о движении
жидкостей — гидравлика, где исследователи пошли по второму пути — 
пути широкого привлечения эксперимента и накопления опытных данных для использования их в инженерной практике. В начальный период
своего развития гидравлика была наукой эмпирической. 
В настоящее время в гидравлике там, где это возможно и целесо
образно, все больше применяются методы теоретической гидромеханики для решения отдельных задач, а теоретическая гидромеханика
все чаще прибегает к эксперименту как к критерию достоверности
своих выводов. Таким образом, различие в методах этих двух наук
постепенно исчезает и граница между ними стирается.

В современной гидравлике (технической гидромеханике) разраба
тываются методы расчета и проектирования гидротехнических сооружений (плотин, каналов, водосливов, водоводов различного назначения), сооружений водоснабжения и водоотведения (трубопроводов
для подачи и отвода всевозможных жидкостей), систем вентиляции, 
гидравлических машин (насосов, гидротурбин, гидропередач) и других гидравлических устройств.

Роль гидравлики велика практически во всех отраслях техники, на
пример, в машиностроении мы встречаемся с широким использованием
гидравлического привода, используем ее в кузнечно-прессовом оборудовании, встречаемся также с использованием гидравлики при литье 
металлов, пластмасс и пр. В авиакосмической отрасли огромное значение имеет надежность гидравлического оборудования: гидропередач, топливных и масляных систем, гидропневмоамортизации и др.

Для того, чтобы хорошо понимать работу гидравлических систем
и сооружений, грамотно их эксплуатировать, уметь устанавливать 
причины аварий и находить пути их устранения, а тем более для того, 
чтобы проектировать и рассчитывать эти системы, нужно иметь соответствующую подготовку в области гидравлики. Такая подготовка
является целью изучения дисциплины «Гидравлика».

1. Жидкости и их основные физические свойства

8

1.2. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Некоторые законы гидростатики были установлены еще Архиме
дом, возникновение гидродинамики также относится к античному 
периоду, однако формирование гидромеханики как науки начинается с середины XV в., когда Леонардо да Винчи лабораторными 
опытами положил начало экспериментальному методу. В XVI—
XVII вв. С. Стевин, Г. Галилей и Б. Паскаль разработали основы
гидростатики, а Э. Торричелли дал известную формулу для скорости истечения жидкости из отверстия. В дальнейшем И. Ньютон
высказал основные положения о внутреннем трении в жидкостях. 
В XVIII в. Д. Бернулли и Л. Эйлер разработали уравнения движения невязкой жидкости, послужившие основой для дальнейшего
развития гидромеханики и гидравлики. Однако применение этих 
уравнений, так же как и предложенных А. Навье и Д.Г. Стоксом
веком позже уравнений движения вязкой жидкости, для решения
практических задач приводило к удовлетворительным результатам 
лишь в немногих случаях. В связи с этим с конца XVIII в. многие 
ученые и инженеры (А.
(
Шези, А. Дарси, А. Базен, Ю. Вейсбах и др.) 
опытным путем изучали движение жидкости в различных частных случаях, в результате чего гидравлика обогатилась значительным числом эмпирических формул. Создававшаяся таким образом 
практическая гидравлика все более отдалялась от теоретической 
гидромеханики. Сближение между ними наметилось в XIX в. в результате формирования новых взглядов на движение жидкости, основанных на исследовании структуры потока. 
Особо заслуживают упоминания работы О. Рейнольдса, позво
лившие глубже проникнуть в сложный процесс течения реальной жидкости, в физическую природу гидравлических сопротивлений и положившие начало учению о турбулентном движении.
Впоследствии это учение, благодаря исследованиям Л. Прандтля, 
Т. Кармана, Дж. И. Тейлора и др., завершилось созданием полуэмпирических теорий турбулентности, получивших широкое практическое применение. К началу ХХ в. относятся исследования 
Н.Е. Жуковского, из которых наибольшее значение имели работы
о подъемной силе крыла, гидравлическом ударе и движении грунтовых вод. Последующий быстрый рост гидротехники, теплоэнергетики, гидромашиностроения, а также авиационной техники
привел к интенсивному развитию гидравлики, которое характеризуется синтезом теоретических и экспериментальных методов.

1.3. Основные физические свойства жидкостей

Большой вклад в развитие гидравлики сделан отечественными
учеными Н.Н. Павловским, И.И. Леви, А.П. Зегжда.

Практическое значение гидравлики возросло в связи с потреб
ностями современной техники в решении вопросов транспортирования жидкостей и газов различного назначения и использования 
их для разнообразных целей. Если ранее в гидравлике изучалась
лишь одна жидкость — вода, то в современных условиях все большее внимание уделяется изучению закономерностей движения
таких жидкостей, как нефть и ее продукты, газов, неоднородных 
и так называемых неньютоновских жидкостей. Меняются и методы решения гидравлических задач. Сравнительно недавно в гидравлике основное место отводилось чисто эмпирическим зависимостям, справедливым только для воды и часто лишь в узких 
пределах изменения скоростей, температур, геометрических размеров потока; теперь все большее значение приобретают закономерности общего порядка, действительные для всех жидкостей, 
отвечающие требованиям теории подобия и пр. При этом отдельные случаи могут рассматриваться как следствие обобщенных закономерностей. Современная гидравлика, таким образом, стала 
одним из прикладных разделов общей науки о движении жидкостей — механики жидкости.
Исследования в области гидравлики в настоящее время коорди
нируются Международной ассоциацией гидравлических исследований (МАГИ); ее печатный орган — «Journal of the International 
Association for Hydraulic Research». 

1.3. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ

В гидромеханике и гидравлике отвлекаются от молекулярного 
строения вещества и рассматривают жидкость как непрерывную
(сплошную) среду, заполняющую пространство без пустот и промежутков, т.е. как континуум.

Таким образом, считается, что вещество, его физические свойства,

определяющие состояние и движение жидкости, распределяются и 
изменяются в занимаемом пространстве непрерывно. Именно этот 
основной постулат механики сплошной среды позволяет применять 
при описании равновесия и движения жидкостей аппарат математического анализа и он же позволяет полагать, что жидкая среда обладает определенными физическими свойствами.

, кг м
M
W
ρ =