Введение

Прикладная инженерия, связанная с жидкостями

Механическая технология

Гидравлика – это технология и прикладная наука, использующая инженерию, химию и другие науки, изучающие механические свойства и применение жидкостей. На самом базовом уровне гидравлика является жидким аналогом пневматики, которая изучает газы. Механика жидкости обеспечивает теоретическую основу для гидравлики, которая фокусируется на прикладной инженерии с использованием свойств жидкостей. В приложениях, связанных с гидравлической передачей энергии, гидравлика используется для создания, управления и передачи мощности посредством жидкостей под давлением. Гидравлические темы охватывают некоторые области науки и большинство инженерных дисциплин, включая такие понятия, как течение в трубах, проектирование плотин, флюидика и схемы управления потоками. Принципы гидравлики естественным образом используются в человеческом организме в сосудистой системе и эректильной ткани. Гидравлика свободной поверхности – это раздел гидравлики, изучающий течение с открытой поверхностью, например, в реках, каналах, озерах, эстуариях и морях. Её подраздел – течение в открытых каналах – изучает течение в открытых руслах.

Древние и средневековые эпохи

Раннее использование энергии воды восходит к Месопотамии и древнему Египту, где ирригация применялась с 6-го тысячелетия до нашей эры, а водяные часы – с начала 2-го тысячелетия до нашей эры. Другие ранние примеры использования энергии воды включают систему канатов в древней Персии и Турпанскую водопроводную систему в древней Центральной Азии.

Персидская империя и Урарту

В Персидской империи или более ранних государствах на территории Персии персы создали сложную систему водяных мельниц, каналов и плотин, известную как историческая гидравлическая система Шуштар. Проект, начатый ахеменидским царем Дарием Великим и завершенный группой римских инженеров, захваченных сасанидским царем Шапуром I, ЮНЕСКО назвала "шедевром творческого гения". Примерно в IX веке до нашей эры появился канат – подземный акведук. Благодаря канатам орошались многие крупные древние сады Ирана. Система канатов распространилась на соседние регионы, включая Армянское нагорье. Там, начиная с начала VIII века до нашей эры, царство Урарту провело масштабные гидротехнические работы, такие как канал Менуа. Самые ранние свидетельства использования водяных колес и водяных мельниц датируются IV веком до нашей эры на Древнем Ближнем Востоке, в частности, в Персидской империи до 350 года до нашей эры, на территории современного Ирака, Ирана и Египта.

Китай

В древнем Китае существовали Суньшу Ао (VI век до н.э.), Симен Бао (V век до н.э.), Ду Ши (около 31 года н.э.), Чжан Хэн (78 – 139 н.э.) и Ма Цзюнь (200 – 265 н.э.), а в средневековом Китае – Су Сун (1020 – 1101 н.э.) и Шэнь Куо (1031–1095 н.э.). Ду Ши использовал водяное колесо для привода меха дутья доменной печи, производящей чугун. Чжан Хэн был первым, кто применил гидравлику для приведения в движение армиллярной сферы, используемой для астрономических наблюдений.

Шри-Ланка

В древней Шри-Ланке гидравлика широко использовалась в древних королевствах Анурадхапура и Полоннарува. Открытие принципа клапанной башни, или клапанной ямы (Бисокотува на сингальском языке), для регулирования выпуска воды приписывается изобретательности, датируемой более чем 2000 лет назад. К I веку нашей эры было завершено несколько крупных ирригационных проектов. В Сигирии, Шри-Ланка, были внедрены макро- и микрогидравлические системы для удовлетворения потребностей в бытовом садоводстве и сельском хозяйстве, поверхностного дренажа и борьбы с эрозией, декоративных и рекреационных водотоков, удерживающих сооружений, а также систем охлаждения. Коралловые образования на массивной скале включают в себя резервуары для сбора воды. Крупнейшие древние водохранилища Шри-Ланки – Калавева (король Дхатусена), Паракрама Самудра (король Паракрама Баху), Тиса Вева (король Дутугамуну), Миннерия (король Махасен).

Греко-римский мир

В Древней Греции греки создали сложные системы водоснабжения и использования гидравлической энергии. Примером служит сооружение Эвпалином, по государственному контракту, водовода для Самоса – Туннель Эвпалина. Ранним примером применения гидравлического колеса, вероятно, самым ранним в Европе, является колесо из Перахоры (III век до н.э.). В греко-римском Египте примечательны работы Ктесибия (активен ок. 270 г. до н.э.) и Герона Александрийского (ок. 10 – 80 гг. н.э.) по созданию первых гидравлических машин-автоматов. Герон описывает несколько рабочих машин, использующих гидравлическую энергию, таких как силовой насос, который, как известно, применялся на многих римских территориях для подъема воды и в пожарных машинах. В Римской империи были разработаны различные гидравлические технологии, включая системы общественного водоснабжения, многочисленные акведуки, использование энергии водяных мельниц и гидравлическую добычу полезных ископаемых. Они одними из первых стали использовать сифоны для переброски воды через долины и широко применяли гидравлическую разработку (hushing) для поиска и последующей добычи металлических руд. Они повсеместно использовали свинец в водопроводных системах для бытового и общественного снабжения, например, для обеспечения терм водой. Гидравлическая добыча применялась на золотых приисках северной Испании, завоеванной Августом в 25 г. до н.э. Аллювиальный золотой рудник Лас-Медулас был одним из крупнейших их рудников. Его обслуживали как минимум семь длинных акведуков, а водные потоки использовались для размыва мягких отложений и последующей промывки хвостов для извлечения ценного золота.

Арабско-исламский мир

В мусульманском мире в период Исламского Золотого века и Арабской сельскохозяйственной революции (VIII–XIII века) инженеры широко использовали гидроэнергию, а также ранние примеры использования приливной энергии и крупных гидравлических промышленных комплексов. В исламском мире применялись разнообразные водяные промышленные мельницы, включая мельницы для валяния сукна, зернодробилки, бумажные мельницы, шелушильные мельницы, пилорамы, судостроительные мельницы, дробильные мельницы, сталелитейные мельницы, сахарные мельницы и приливные мельницы. К XI веку эти промышленные мельницы действовали во всех провинциях исламского мира, от Аль-Андалуса и Северной Африки до Ближнего Востока и Центральной Азии. Мусульманские инженеры также использовали водяные турбины, применяли зубчатые передачи в водяных мельницах и машинах для подъема воды, и стали пионерами в использовании плотин как источника гидроэнергии, для обеспечения дополнительной мощности водяных мельниц и машин для подъема воды. Аль-Джазари (1136–1206) описал конструкции 50 устройств, многие из которых работали на воде, в своей книге «Книга знаний о гениальных механических устройствах», включая водяные часы, устройство для разлива вина и пять устройств для подъема воды из рек или бассейнов. К ним относятся бесконечный ремень с прикрепленными кувшинами и возвратно-поступательное устройство с клапанами. Первые программируемые машины были устройствами, работающими на воде, разработанными в мусульманском мире. Музыкальный секвенсор, программируемый музыкальный инструмент, был самым ранним типом программируемой машины. Первым музыкальным секвенсором был автоматический флейтовый исполнитель на водном приводе, изобретенный братьями Бану-Муса, описание которого содержится в их «Книге гениальных устройств» в IX веке. В 1206 году Аль-Джазари изобрел программируемые автоматы/роботы на водном приводе. Он описал четырех автоматов-музыкантов, включая барабанщиков, управляемых программируемой барабанной машиной, позволяющей им исполнять различные ритмы и барабанные рисунки.

Бенедетто Кастелли и итальянская гидравлика

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 был главным консультантом Папы по гидравлическим проектам, то есть управлению реками в Папской области, начиная с 1626 года. Наука и инженерия в области водных ресурсов в Италии в период с 1500 по 1800 год, отраженные в книгах и рукописях, представлены в иллюстрированном каталоге, опубликованном в 2022 году.

Блез Паскаль

Блез Паскаль (1623–1662) изучал гидродинамику и гидростатику жидкостей, основываясь на принципах гидравлики. Его открытие в области теории гидравлики привело к изобретению гидравлического пресса, который позволял умножать меньшую силу, действующую на меньшую площадь, для получения большей силы, приложенной к большей площади, посредством передачи одинакового давления (или точного изменения давления) в обеих точках. Закон (или принцип) Паскаля гласит, что для несжимаемой жидкости в состоянии покоя разность давлений пропорциональна разности высот, и эта разность остается неизменной, независимо от изменения общего давления жидкости при приложении внешней силы. Это означает, что увеличение давления в любой точке замкнутой жидкости вызывает равное увеличение давления во всех остальных точках сосуда, то есть любое изменение давления, приложенное к любой точке жидкости, передается без потерь по всей жидкости.

Жан Леонард Мари Пуасюй

Французский врач Пуазейль (1797–1869) исследовал кровоток в организме и открыл важный закон, определяющий скорость потока в зависимости от диаметра сосуда, по которому он протекает.

В Великобритании

В XIX веке в нескольких городах были созданы общегородские сети гидравлической энергии для привода машин, таких как лифты, краны, шпили и аналогичного оборудования. Джозеф Брама (1748–1814) был одним из первых новаторов, а Уильям Армстронг (1810–1900) усовершенствовал систему передачи энергии в промышленных масштабах. В Лондоне крупным поставщиком являлась Лондонская гидравлическая компания, чьи трубопроводы обслуживали значительную часть Вест-Энда, Сити и доков, однако существовали и отдельные системы, предназначенные для нужд отдельных предприятий, например, доков и железнодорожных грузовых дворов.