Гідроаеромеханіка
Гідроаеромеханіка — розділ механіки, що вивчає рух рідких і газоподібних середовищ та їх взаємодію між собою і з твердими тілами, що межують з ними.
На відміну від розділу фізики - молекулярно-кінетичної теорії рідин і газів (див. Кінетична теорія) гідроаеромеханіка замінює дійсну молекулярну структуру рідин і газів ідеалізованими уявленнями про матеріальне середовище, що володіє двома основними властивостями - суцільністю (безперервністю) і легкою рухливістю. При цьому рідини вважають практично стисливими.
Гідроаеромеханіка включає два основні розділи. Аеромеханіка вивчає закони руху повітряного (а, вірніше, газоподібного) середовища та її взаємодії з твердими тілами, що рухаються в ній, головним чином близькими за формою до використовуваних в авіації (крило, подовжене тіло обертання і т. п.). Гідромеханіка - тиск і рух рідин, що стискаються, і взаємодія їх з твердими тілами.
Гідроаеромеханіка поділяється на теоретичну та експериментальну.
При теоретичному дослідженні руху рідин обчислюються або координати окремих частинок рідини, що розглядаються як матеріальні частинки, що повністю заповнюють обсяг (подання Лагранжа), або швидкості цих частинок у просторі, заповненому рідиною, що рухається (подання Ейлера). Поданням Лагранжа користуються в основному при описі коливальних явищ у рідині.
Теоретична аеродинаміка базується на загальних рівняннях гідроаеромеханіки. При цьому для вивчення порівняно простих питань руху рідини або газу навколо тіл і тиску потоку на них в аеродинаміці використовують рівняння руху несжимаемой (для малих швидкостей) або ідеальної рідини, що стискається (для великих швидкостей). При розгляді більшескладних питань застосовують рівняння руху в'язких рідин (див. в'язкість).
Головна проблема експериментальної гідроаеромеханіки - вивчення взаємодії рідин і газів з твердими тілами, що рухаються або покояться в них. В основі експериментальних методів лежать або аналогії, що існують між рухом рідини та газу та фізичними процесами, зручними для відтворення, або моделювання. Вивчення потоку рідини або газу в зменшеному масштабі ведуть в аеродинамічних трубах, дослідних басейнах і т.д.
Гідроаеростатика як частина гідроаеромеханіки визначає, з якою силою рідини або гази, що знаходяться в рівновазі, діють на стінки судини, а також на занурені в них тіла. Основні закони гідроаеростатики - закон Паскаля: тиск на поверхню рідини (або газу), вироблений зовнішніми силами, передається рідиною (або газом) однаково у всіх напрямках; закон Архімеда: на будь-яке тіло, занурене в рідину (або газ), діє з боку цієї рідини (або газу) сила, спрямована вгору, прикладена до центру тяжкості витісненого об'єму та рівна за величиною ваги витісненої тілом рідини (або газу).
Перші уявлення з галузі гідроаеромеханіки виникли ще в давні часи, оскільки вони були необхідні людям у їхній практичній діяльності: у будівництві колодязів, каналів, плотів, човнів, винаході таких порівняно складних на ті часи гідро- та аеродинамічних пристроїв, як весло, вітрило, насос та ін.
Важливою проблемою гідроаеромеханіки з самого її виникнення стало вивчення взаємодії між середовищем (водою, повітрям) і тілами, що рухаються або покояться в ній. У ІІІ ст. до зв. е. Архімед відкрив основний закон гідроаеростатики та створив теорію рівноваги рідин та газів. Його праці послужилиосновою створення низки гідравлічних апаратів, зокрема поршневих насосів.
В епоху Відродження Леонардо да Вінчі, розробляючи проекти каналів та іригаційних систем, вивчав умови рівноваги рідин. Спостерігаючи польоти птахів, він відкрив існування опору середовища.
У XVII ст. французький учений Б. Паскаль щодо тиску рідин і газів встановив, що у цій точці рідини і газу тиск діє з однаковою силою у всіх напрямах, і сформулював закономірності передачі тиску рідинами і газами.
Перше теоретичне визначення закону опору середовища належить І. Ньютону, який пояснював опір тіла під час руху його в рідині чи газі ударами частинок про його лобову частину. За величиною воно дорівнює: $R=Sρv^2,$ де $R$ — опір, $S$ — площа найбільшого поперечного перерізу, $ρ$ — густина рідини чи газу, $v$ — швидкість руху тіла (чи потоку).
Однак на практиці величина $R,$ розрахована за формулою Ньютона відрізняється від значення, отриманого на досвіді, наприклад, в аеродинамічній трубі, так як формула Ньютона не враховує обтікання тіл. У зв'язку з цим у неї вводиться поправочний коефіцієнт $C_x$ який показує, у скільки разів опір тіла відрізняється від розрахованого за формулою: $C_x=R/(Sρv^2).$ Для тіл різної форми (наприклад, пластини, кулі і т д) $C_x$ має своє постійне значення, що визначається на досвіді.
Наступним великим внеском у розвиток гідроаеромеханіки стала робота швейцарського вченого Д. Бернуллі «Гідродинаміка» (1738), в якій він сформулював закон, який досі має важливе практичне застосування. Відповідно до цього закону, тиск поточної рідини більший у тих перерізах потоку, в яких швидкість його руху менша, і навпаки, в тихперерізах, у яких швидкість його руху більша, тиск менший.
У роботі Л. Ейлера «Загальні принципи руху рідин» (1755) було вперше виведено основні рівняння руху ідеальної рідини та дано динамічне визначення поняття тиску.
У ХІХ ст. загальна теорія руху твердого тіла в рідині розроблялася цілою низкою вчених - Г. Кірхгофом, У. Томсоном, Дж. Максвеллом, Н. Є. Жуковським, С. А. Чаплігіним, А. М. Ляпуновим та іншими. Зародження авіації дало потужний поштовх розвитку спеціального розділу гідроаеромеханіки — аеродинаміки. З'явилися роботи Н. Є. Жуковського, С. А. Чаплигіна, Ф. Ланчестера, Л. Прандтля з теорії руху крила та гвинта літака та всього літака в цілому.
У першій половині ХІХ ст. зародилися дві нові гілки гідроаеромеханіки - динаміка в'язкої рідини та газова динаміка.
Основи динаміки в'язкої рідини були закладені в 1820-х роках. французьким вченим А. Навье і отримали своє завершення у роботах англійського фізика Дж. Стокса. Сформульований в 1851 р. закон Стокса визначає силу опору $F,$ випробовувану твердою кулею при його повільному поступальному русі у в'язкій рідині: $F=6πηrv,$ де $η$ - коефіцієнт в'язкості рідини, $r$ - радіус кулі, $v $ - Його швидкість. Цей закон використовують у молекулярній фізиці, колоїдній хімії, метеорології. З його допомогою можна визначити швидкість осадження дрібних крапель туману, колоїдних частинок. Його використовують для визначення коефіцієнта в'язкості дуже в'язких рідин.
Фундаментальне значення у розвиток газової динаміки мала робота З. А. Чаплыгіна «Про газові струмені» (1902).
Сучасна гідроаеромеханіка - розгалужена наука, що складається з багатьох підрозділів, тісно пов'язана з іншими науками - математикою, фізикою, хімією. Методамигідроаеромеханіки вирішуються різноманітні технічні завдання авіації, ракетної техніки тощо.
Теоретичні та експериментальні дослідження в галузі гідроаеромеханіки в нашій країні проводяться в низці інститутів та наукових центрів, і зокрема в Центральному аерогідродинамічному інституті, створеному 1918 р. у Москві.