Кіріспе

Сұйықтық механикасының тарихы физика және инженерлік ғылымның негізгі бөлігі болып табылады. Сұйықтықтардың (сүттілер мен газдардың) қозғалысын және оларға әсер ететін күштерді зерттеу тарихқа дейінгі дәуірге жатады. Бұл салада адам баласының суға, метеорологиялық жағдайларға және ішкі биологиялық процестерге тәуелділігі арқасында үнемі эволюция болып келеді. Ерте өркениеттердің табыстылығын су динамикасын түсінудегі жетістіктерге байланысты, суды тарату және шаруашылықты суару үшін арналар мен су құбырларын салуға, сондай-ақ теңіз көлігін жүргізуге мүмкіндік берді. Оның тұжырымдамалық күрделілігіне байланысты, бұл саладағы көптеген жаңалықтар эксперименттерге толығымен сүйенді, кем дегенде дифференциалдық теңдеулер мен есептеу әдістерін жақсы түсінудің дамуына дейін. Архимед, Иоганн Бернулли және оның ұлы Даниэль Бернулли, Леонард Эйлер, Клод Луи Навье және Стокс сияқты елеулі тұлғалар теориялық үлестерін қосты, олар сұйықтық механикасын сипаттау үшін негізгі теңдеулерді жасады. Эксперименттік және есептеу әдістерінің жетістіктері осы саланы одан әрі алға жылжытты, бұл аэроғарыштан бастап экологиялық инженерияға дейінгі мамандандырылған салаларда практикалық қолдануға әкелді. Сұйықтық механикасы астрономиялық денелерді және галактикалардың динамикасын зерттеуде де маңызды болды.

Тарихқа дейінгі кезең

Сұйықтық ағыны туралы практикалық, тіпті ғылыми емес білімді ежелгі өркениеттер көрсетті, мысалы жебе, найза, қайықтарды және әсіресе су тасқынынан қорғау, суару, дренаж және сумен жабдықтау үшін гидравликалық инженерлік жобаларды жобалау. Ертедегі адамзат өркениеттері өзен жағалауларынан басталды, сондықтан гидрологияның, гидравликаның және гидравликалық техниканың таңғы жарығымен тұспа-тұс келді.

Ежелгі Қытай

Ежелгі қытай философтары ерекше ауырлық пен жүзу қабілеті туралы байқайды. Біздің заманымыздан бұрынғы IV ғасырда Менций алтынның салмағы қауырсынға тең екенін айтады. Біздің заманымыздың 3-ші ғасырында Цао Чонг әртүрлі салмақпен жүктелген қайықтың орын ауыстыруын бақылау арқылы пилдің салмағын өлшеу туралы әңгімені сипаттайды.

Архимед

Гидростатика мен динамиканың негізгі принциптерін Архимед өзінің "Үрмейтін денелер туралы" еңбегінде (Περὶ τῶν χουμένων) шамамен б.з.д. Онда Архимед, Архимед принципі деп те аталатын, жүзу заңдылығын әзірлейді. Бұл принципте сұйықтыққа батып кеткен дене оның орнын толтырған сұйықтық салмағына тең жүзу күшін сезінеді. Архимед сұйықтық массасының әрбір бөлшегі тепе-теңдікте болған кезде барлық бағытта тең қысымға ұшырайтынын айтты. Ол сұйықтыққа жүзетін қатты дене тепе-теңдік жағдайын қабылдауы және сақтауы керек жағдайларды зерттеді.

Александрия мектебі

Александриядағы грек мектебінде Птолемейлердің қамқорлығымен өркендеген гидравликалық машина жасау үшін тырысты, ал шамамен б.з.д. Сифон - қарапайым құрал, бірақ мәжбүрлеу сорғысы - күрделі өнертабыс, ол гидравликаның балалық шағында күтілмеді. Бұл идеяны Ктезибиусқа сол кезде кең тараған мысырлық дөңгелек немесе Нория ұсынған болуы мүмкін. Бұл дөңгелекпен айнала жүретін бірнеше саз ыдыстардан тұратын тізбекті насос түрі еді. Кейбір осы машиналар құмыралар төменгі оларға мүмкіндік береді төмендеу үшін көп қарсылықсыз, және өте төмендейді жүктеме дөңгелек; және, егер біз осы клапан енгізілген деп болжауға болса, сондықтан ерте уақыт Ктезивий, ол қиын емес, қалай түсіну осындай машина болуы мүмкін әкелді өнертабыс мәжбүрлеу сорғы. Біруни тәжірибе кезінде сынақтарды тексеру әдісін енгізді және әртүрлі сұйықтықтардың салмағын өлшеді. Сондай-ақ, ол тұщы су мен тұщы судың, ыстық су мен суық судың салмақтағы айырмашылығын жазды. Сұйықтық механикасы бойынша тәжірибелер жүргізу кезінде Бируни ауадағы заттың салмағы мен ығыстырылған судың салмағының арақатынасын табу үшін конустық өлшемені ойлап тапты. Әл-Хазини "Даналық тепе-теңдігінің кітабында" (1121) гидростатикалық тепе-теңдікті ойлап тапты.

Исламдық инженерлер

9 ғасырда Бану Муса ағайындыларының "Зиялы құрылғылар кітабында" сұйықтық механикасындағы бірқатар ерте автоматты басқарулар сипатталған. Сұйықтықтарды екі сатылы бақылау, үздіксіз өзгермелі құрылымды басқарудың алғашқы түрі, Бану Муса ағайындылары әзірлеген. Олар сұйықтықтарды бақылаудың алғашқы түрін сипаттады. Дональд Рутледж Хиллдің айтуынша, Бану-Муса ағайындылары гидростатикалық қысымның "кішігірім өзгерістерін пайдалануда және ағынды жүйелерде "тізбектес" компоненттер ретінде конус тәрізді клапандарды пайдалануда шебер болды, "конус тәрізді клапандарды автоматты басқарушылар ретінде алғашқы рет қолданды". "Бану Муса" сондай-ақ "азамырақ мөлшерде сұйықтықты бірнеше рет шығаруға болатын, бірақ егер адам көп мөлшерде шығарып алса, одан әрі алу мүмкін емес" деген ертедегі ақаусыз жүйені әзірледі. 1206 жылы әл-Жазаридің "Жақсы механикалық құрылғылар туралы білім кітабында" көптеген гидравликалық машиналар сипатталған. Оның суды көтеру үшін құйылған сорғылары ерекше маңызды болды. Алғашқы рет тізбекті сорғыда коленталық валдың қолданылуы әл-Жазаридің сақия машиналарының бірінде болған. Аралық жұмыс істеуді азайту тұжырымдамасы алғаш рет әл-Жазаридің сақиялы тізбекті сорғыларының бірінде де бар, бұл сақиялы тізбекті сорғының тиімділігін арттыру мақсатында болды. Әл-Жазари сондай-ақ екі цилиндрлі, кернеулі поршеньді сору сорғысын ойлап тапты, оған алғашқы сору құбырлары, сору сорғысы, қос әрекетпен сору және клапандар мен краншафтты жалғаушы таяқ механизмін ерте пайдаланды. Бұл сорғы үш себеппен ерекше: сорғыда сұйықтықты ішінара вакуумға соратын шынайы сору құбырын алғаш рет қолдану, қос әрекет ету принципін алғаш рет қолдану және бұранданың жалғаушы таяқша механизмі арқылы айналымдық қозғалысты кері қозғалыс түріне айналдыру.

Леонардо да Винчи

Ренессанс дәуірінде Леонардо да Винчи өзінің тәжірибелік шеберлігімен танымал болды. Оның жазбалары әртүрлі құбылыстарды, соның ішінде кемелер, реактивті ұшқыштар, гидравликалық секірулер, бұрқасын түзілуі, су тасқыны, сондай-ақ төмен соққы (ағылшыл) және жоғары соққы (парашют) конфигурацияларына арналған дизайндарды нақты бейнелейді. Да Винчиге массаның бір өлшемді тұрақты ағынындағы сақталуын қалыптастыру үшін де есеп беріледі.

Кастелли мен Торричелли

Галилейдің екі шәкірті - Бенедетто Кастелли мен Эвангелиста Торричелли - өздерінің ұстаздарының зерттеулерін гидродинамика ғылымына қолданды. 1628 жылы Кастелли "Della misura dell'acque correnti" атты кішігірім еңбегін жариялады, онда ол өзендер мен каналдардағы сұйықтықтардың қозғалысындағы бірнеше құбылыстарды қанағаттанарлықтай түсіндірді; бірақ ол судың жылдамдығын кеме бетінің астындағы тесіктің тереңдігіне пропорционалды деп болжау арқылы үлкен паралогизмге жол берді. Торричелли, су кішкентай ajutage арқылы асығып бір ұшақ ол жеткізілген болатын су қоймасы, шамамен бірдей биіктікке көтерілді, ол сол биіктікте құлаған болса, сол жылдамдықпен қозғалуға тиіс деп елестетті тартылыс күшімен, сондықтан ол сұйықтықтардың жылдамдықтары бас квадрат түбірі ретінде, бөлек ауаның қарсылығы және терістеу ойығы. Бұл теорема 1643 жылы De motu gravium projectorum трактатының соңында жарияланды және оны Рафаэло Маджотидің әр түрлі қысымдағы әр түрлі айдаудан шығарылған судың мөлшері туралы (1648) тәжірибелері растады. Судың сүрінісін баяу жылдамдықтар үшін Куломб зерттеді, ал жоғары жылдамдықтар үшін Уильям Фруде (1810-1879) өлшеді, оның жұмысы кеме кедергісі теориясында үлкен құндылыққа ие (Британ. Ассоц. 1869), ал ағыс желісінің қозғалысын профессор Осборн Рейнольдс және профессор Генри С. Хеле Шоу зерттеді.

Людвиг Прандтл

1904 жылы неміс ғалымы Людвиг Прандтль шекаралық қабат теориясының ізашарсы болды. Ол кішігірім тұтқырлығы бар сұйықтықтарды қатты беттер мен интерфейстердің жанында жұқа тұтқыр қабатына (шекаралық қабатына) және Бернулли принципі мен Эйлер теңдеулері қолданылатын сыртқы қабатына бөлуге болатынын көрсетті.

Вортекстік динамиканың дамуы

Вортекстік динамика - сұйықтық динамикасының жан-жақты саласы, ол ірі ғылыми конференцияларда назар аударып, тақырыпқа толығымен бағытталған семинарлар мен симпозиумдарды ұйымдастырады. Вортекстік динамика тарихындағы қызықты бұрылыс Уильям Томсонның, кейіннен Лорд Кельвиннің атомның Вортекстік теориясы болды. Оның негізгі идеясы атомдар эфирдегі айналып өтетін қозғалыс ретінде бейнеленуі керек еді. Бұл теория кванттық теориядан бірнеше онжылдық бұрын пайда болған және оның негізін қалаушының ғылыми мәртебесіне байланысты айтарлықтай назар аударды. Бұл теорияны зерттеу барысында тұман динамикасына қатысты көптеген терең түсініктер пайда болды. Басқа қызықты нәтижелер - П. Г. Тайттың қарапайым түйіндерді бірінші рет санауы, ол бүгінгі күні граф теориясы, топология және түйін теориясы саласындағы ізашарлық күш деп саналады. Ақырында Кельвиннің айналып жатқан атомдары дұрыс бағытта емес екені анықталды, бірақ ол тудырған айналып жатқан динамиканың көптеген нәтижелері уақыт сынағына төтеп берді. Келвиндің өзі айналым туралы түсінікті қалыптастырды және материал контурлары айналасындағы мөлдір емес сұйықтық айналымы сақталатынын дәлелдеді. Бұл нәтиже Эйнштейннің "Зум хундерт-жариген Гедэнктаг фон Лорд Келвинс Гебурт, Натуровизуансхафтэн, 12 (1924), 601602" (тақырыбының аудармасы: "Лорд Келвиннің туғанына 100 жыл толуына орай") Келвиннің жұмысының ең маңызды нәтижелерінің бірі ретінде сұйықтық динамикасы мен топология арасындағы алғашқы байланысты қамтамасыз етті. Вортекстік динамиканың тарихы аса маңызды нәтижелерді ашуға және қайта ашуға бай көрінеді, өйткені алынған нәтижелер олардың ашылуынан кейін толығымен ұмытылды, содан кейін ондаған жылдардан кейін қайта ашылды. Осылайша, жазықтықтағы үш нүктелі айналымдар проблемасының интегралдануы 1877 жылы жас швейцариялық қолданбалы математик Вальтер Гроблидің диссертациясында шешілді. Гельмгольц пен Кирхгоффты қоршаған ғалымдардың ортақ ортасында Геттингенде жазылған және Кирхгоффтың теориялық физика бойынша белгілі дәрістерінде және Лэмбтің гидродинамикасы сияқты басқа да маңызды мәтіндерде айтылғанға қарамастан, бұл шешім негізінен ұмытылды. 1949 жылы белгілі қолданбалы математик Дж. Л. Сингедің мақаласы қысқа мерзімді қайта жандандыруға әкелді, бірақ Синге мақаласы өз кезегінде ұмытылды. Төрт ғасырдан кейін 1975 жылы Е. А. Новиковтың және 1979 жылы Х. Арефтің хаотикалық адвекция туралы мақалалары осы маңызды ертедегі жұмысты жарыққа шығарды. Төрт айналымдағы проблемадағы және пассивті бөлшектің үш айналыммен адекциясындағы хаосты кейіннен түсіндіру Гроблидің жұмысын "заманауи ғылымның" бөлігіне айналдырды. Бұған тағы бір мысал - "жергілікті индукциялық шамалау" (LIA) үш өлшемді бұрандалы филамент қозғалысы үшін, ол 1960 жылдардың ортасында Армс, Хама, Бетхов және басқалардың жұмыстары арқылы танымал болды, бірақ 20-ғасырдың алғашқы жылдары итальяндық математик Т. Леви Сивитаның дарынды шәкірті Да Риостың жұмысында пайда болды. Да Риос өзінің нәтижелерін бірнеше түрде жариялады, бірақ олар өз уақытының сұйықтық механикасы әдебиетінде ешқашан қабылданбады. 1972 жылы Х. Хасимото Да Риостың "ішкі теңдеулерін" (кейіннен Р. Бечков өз бетінше ашқан) ЛИА астындағы шұңқырлы сүтқоректің қозғалысы сызықтық емес Шредингер теңдеуімен қалай байланысты болатынын көрсетуге қолданды. Бұл проблеманы бірден "заманауи ғылымның" бір бөлігіне айналдырды, өйткені содан кейін шұңқырлық талшықтар үлкен амплитудалы жалғыз бұрылыс толқындарын қолдана алатыны түсінікті болды.