Зарождение и развитие гидравлики в 19 веке в России

Прикладное, инженерное направление механики жидкости, зародившееся у нас еще в работах М. В. Ломоносова, стало развиваться в России в XIX в. в стенах Петербургского института инженеров путей сообщения. В этом институте долгое время существовала единственная гидравлическая школа России. Ученые этого института только в начале своей деятельности следовали французской гидравлической школе. Здесь можно прежде всего упомянуть П. П. Мельникова (1804−1880) — инженера путей сообщения, профессора прикладной механики, почетного члена Петербургской Академии наук, Министра путей сообщения, который создал первый на русском языке курс «Основания практической гидравлики…», а также организовал в 1855 г. первую в России учебную гидравлическую лабораторию. Преемниками П. П. Мельникова являлись профессора того же института B.C. Глухов, Н. М. Соколов, П. Н. Котляревский, Ф. Е. МаксименкоиГ. К. Мерчинг. Они опубликовали ряд трудов, относящихся к технической механике жидкости (гидравлике), в которых обобщили соответствующие исследования, выполненные в стенах института инженеров путей сообщения.

Большой вклад внесли в развитие гидравлики следующие русские ученые и инженеры: Н. П. Петров (1836−1920) — выдающийся русский ученый-инженер, почетный член Петербургской Академии наук (инженер-генерал-лейтенант, товарищ Министра путей сообщения), который в своем труде «Трение в машинах и влияние на него смазывающей жидкости» (1883 г.) впервые сформулировал законы трения при наличии смазки: Н. Е. Жуковский (1847−1921) — великий русский ученый, профессор Московского высшего технического училища и Московского университета, член-корреспондент Петербургской Академии наук, создатель теории гидравлического удара, исследовавший также многие другие вопросы механики жидкости; И. С. Громека (1851−1889).-профессор Казанского университета, разрабатывавший теорию капиллярных явлений и заложивший основы теории, так называемых, винтовых потоков.

Развитие технической механики жидкости (гидравлики) в области инженерно-строительных специальностей в течение первых десятилетий XX века. В начале XX в. в гидравлике наметилось много самых различных научных направлений, которые можно классифицировать по разным признакам, например:

• а)по виду рассматриваемой текучей среды; здесь можно различать воду, воздух, нефть, разные двухфазные жидкости, так называемые, неньютоновские и аномальные жидкости, электропроводящую или магнитную среду, плазму; сюда можно отнести стратифицированные потоки и т. п.;
• б)в зависимости от отрасли техники или отрасли знаний, где используется аппарат гидромеханики, можно различать: аэронавтику, судостроение, гидромашиностроение, инженерно-строительное дело (в частности, гидротехнику), баллистику, гидроавтоматику, химическую технологию, метеорологию, океанологию и т. п.;
• в)можно различать отдельные гидромеханические теории, которые иногда полагаются в основу решения задач, относящихся к различным областям техники (см. выше п. б): теорию турбулентности; задачи неустановившегося, в частности, волнового движения; теорию смазки и ламинарного движения; теорию движения жидкости (в частности, нефти и газа) в пористых средах и т. п.

В связи со сказанным в начале XX в. (да и в конце XIX в.) из технической механики жидкости начали выделяться отдельные иногда в значительной мере изолированные друг от друга направления, которые приходится рассматривать отдельно. Ниже, касаясь только инженерно-строительного направления гидравлики, осветим главнейшие работы, относящиеся к этому направлению и выполненные в период до 20 -30-х годов настоящего столетия. Ф. Форхгеймер (1852−1933) — немецкий профессор — рассмотрел гидравлические сопротивления, волны перемещения, колебания. горизонтов воды в уравнительных резервуарах ГЭС, некоторые виды деформаций песчаных русел. Особенно важны исследования Форхгеймера в области вопросов фильтрации. М. Вебер (1871 — 1951) — немецкий профессор — придал принципам гидродинамического подобия современные формы. Л. Прандтль (1875 -1953) — немецкий профессор, инженер — разработал (наряду с Тейлором и Карманом) полуэмпирическую теорию турбулентности; исследовал гидравлические сопротивления в трубах. С именем Прандтля связан ряд понятий из области механики жидкости. Работы Прандтля в области теории пограничного слоя явились основополагающими. М. А. Великанов (1879- 1964) — советский ученый, член-корреспондент АН СССР — разрабатывал теорию турбулентности, исследовал движение наносов и русловые деформации, предложил так называемую гравитационную теорию движения взвешенных наносов. Б. А. Бахметев (1880−1951) — русский ученый, инженер путей сообщения — работая в Петербургском политехническом институте, заложил основы современной русской гидравлической школы, опубликовав ряд книг, в которых осветил различные разделы гидравлики. Б. А. Бахметев решил в достаточно общей форме задачу об интегрировании дифференциального уравнения неравномерного движения в призматических руслах. Блазиус (р. 1883) — немецкий ученый — впервые показал, что для «гладких труб» коэффициент сопротивления зависит только от одного параметра — числа Рейнольдса. Н. Н. Павловский (1886- 1937) — советский ученый, академик, инженер путей сообщения — в 1922 г. опубликовал основы математической теории фильтрации воды в грунтах; предложил метод электромоделирования фильтрационных потоков (метод ЭГДА); издал первый в России «Гидравлический справочник» и монографию по основам гидравлики; решил ряд гидравлических задач, относящихся к инженерно-строительной гидравлике. Н. Н. Павловский создал научно-педагогическую школу в области гидравлики на базе общеинститутской кафедры гидравлики Ленинградского политехнического института. Н. М. Вернадский (1882−1935) — советский ученый, инженер путей сообщения — впервые связал определение тепловых потерь с полем скоростей в прудах-охладителях; предложил важную модель «планового потока», нашедшую себе широкое применение.

К 20 -30-м годам XX в. была создана обширная лабораторная база, на основе которой решались самые различные вопросы гидравлики. Равным образом были проведены также обширные натурные (полевые) наблюдения, позволившие составить соответствующие эмпирические формулы или откорректировать (применительно к реальным условиям) формулы, полученные для различных идеализированных схем теоретическим путем.

Перечислим только некоторых ученых, принявших участие в этого рода деятельности: П. П. Мельников, Энгельс (1854−1945), Ребок (1864−1950), Кох (1852−1923), В. Е. Тимонов (1862−1936), И. Г. Есьман (1868−1955), Шаффернак (1881−1951), Феллениус (р. 1876), Мейер-Петер (р. 1883), Гиб сон (р. 1878), Скобей (р. 1880), Кеннеди (1851−1920), Н. Н. Павловский.

Общая схема формирования (во времени) механики жидкости, как видно из рисунка, в соответствии со всем сказанным выше, можно считать с некоторым приближением, что наука о механике жидкости (в современном представлении этого понятия) зародилась в трудах Архимеда.

Примерно к середине XIX в. данная наука получила значительное развитие, причем этот период времени произошло разделение механики жидкости на два различных направления: «математическую механику жидкости» и «техническую механику жидкости». Как отмечают (например, Г. Рауз и С. Инце в своей известной книге «История гидравлики»),' математическая механика жидкости зародилась еще в трудах Л. Эйлера (в середине XVIII в.). Что касается технической механики жидкости (гидравлики), то это направление механики, как выше было сказано, начало развиваться главным образом в работах французских ученых-инженеров. Важно подчеркнуть, что на рубеже начала XIX в. техническая механика жидкости начала в свою очередь расчленяться на отдельные направления (см. на рисунке стрелки В1; В2, Вз). К таким отдельным направлениям можно отнести, например, инженерно-строительную (гидротехническую) гидравлику, гидромашинную гидравлику, судостроительную гидравлику, нефтяную и газовую гидравлику и т. п. Разумеется, теоретические основы этих отдельных гидравлик являются в значительной мере общими; вместе с тем чисто прикладные части таких курсов оказываются существенно различными. Заметим, что вопрос о разделении механики (в частности, механики жидкости) на различные направления достаточно часто подчеркивается в литературе. Например, А. Н. Боголюбов пишет: «В результате современная механика разделилась на много направлений, которые сливаются, с одной стороны, с математической, с другой — с различными направлениями техники (такое промежуточное положение между чистой абстракцией и конкретной практикой было характерно для механики со времен ее зарождения)» .

Некоторые общие выводы, вытекающие из рассмотрения исторического материала:

• 1. Разработка проблем гидравлики (технической механики жидкости), в частности, инженерно-строительного направления, всегда, диктовалась необходимостью решения тех или других практических задач, выдвигаемых жизнью и связанных с развитием материальной базы нашего общества.
• 2. Отдельные казалось бы элементарные представления механики жидкости осваивались человечеством, как мы видели, иногда в течение весьма продолжительного времени (например, отмеченные выше вопросы о вакууме и уравнения неразрывности движения жидкости, которые решались в течение тысячелетий).
• 3. Теоретические основы технической механики жидкости (гидравлики) начали интенсивно развиваться только в середине XVIII в., после того как рядом зарубежных и отечественных ученых были сформулированы основополагающие законы физики и общей механики, а также был разработан соответствующий математический аппарат, позволяющий достаточно точно и кратко выражать соответствующие зависимости механики.
• 4. По-видимому, некоторые положения гидромеханики на протяжении столетий повторно открывались и разрабатывались по нескольку раз.
• 5. Иногда, в конечном счете, отдельным ученым история приписывает то, что они не предлагали и «забывает» о том, что они сделали. Например, Фруд не предлагал «числа Фруда» и никогда им не пользовался (широко известно, что «число Фруда» было предложено Риичем).
• 6. Многие уравнения и формулы, связанные в настоящее время с именами различных ученых, были даны этими учеными совсем не в том виде, в каком они фигурируют в современной литературе; примеров таких «именных зависимостей» можно привести целый ряд: формула Шези, формула Торричелли и т. д.