Hidraulică

miniatura|Aplicații ale hidraulicii și hidrostaticii (Cyclopaedia, vol. I, 1728) Hidraulica este știința care se ocupă cu studiul legilor de echilibru și de mișcare ale lichidelor - în particular a apei - din punctul de vedere al aplicațiilor tehnice.Academia Română, Institutul de Lingvistică Iorgu Iordan Dicționarul explicativ al limbii române (DEX), București: Editura Univers Enciclopedic, 1998Remus Răduleț și colab. Lexiconul Tehnic Român, București: Editura Tehnică, 1957-1966.Academia RPR Dicționar Enciclopedic Român, București: Editura Politică, 1962-1966

Din aceasta definiție rezultă dublul caracter al studiilor și cercetărilor care se efectuează în domeniul hidraulicii: caracterul fundamental, în sensul că primul obiectiv îl constituie stabilirea legilor de bază, a modelelor teoretice și a relațiilor de calcul privind mișcarea și repausul fluidelor și caracterul aplicativ, în sensul că al doilea obiectiv, cel final, îl constituie aplicarea acestor legi, modele și relații de calcul la rezolvarea problemelor inginerești. Având în vedere acest ultim obiectiv, hidraulica este o disciplină tehnică, în sensul că problemele privind repausul și mișcarea fluidelor, precum și acțiunea fluidelor asupra corpurilor, sunt rezolvate de pe poziții tehnice, în limitele unor aproximații acceptate în tehnică.Hâncu (2007), vol. I, p. 15.

Suportul teoretic al hidraulicii este dat de mecanica fluidelor.

Principalele aplicații ale hidraulicii se referă la curgerea în conducte, curgerea prin orificii (de exemplu la diafragme și ajutaje), curgerea peste deversoare și baraje și curgerea lichidelor în jurul profilelor hidrodinamice. Tot de hidraulică țin și fenomenele în care apar curgeri cu suprafață liberă, cum ar fi curgerea din râuri, estuare și canale, precum și forma suprafeței lacurilor și a mărilor (influențată de valuri și curenți marini). În strânsă legătură cu hidraulica sunt mașinile hidraulice (pompele și turbinele), ale căror caracteristici sunt schimburile energetice cu fluidul sub formă de lucru mecanic, precum și hidrodinamica navală (îndeosebi studiile experimentale la scară redusă pentru proiectarea carenelor navelor optimizate din punct de vedere hidrodinamic).

Inițial, termenul hidraulică a fost atribuit ca denumire științei care se ocupa de folosirea apei de către om (alimentări cu apă, sisteme de irigații, poduri, baraje, canale pentru navigație, amenajarea cursurilor de apă etc.). Prin extinderea treptată a preocupărilor hidraulicii la studiul întregului domeniu al lichidelor și gazelor, a apărut necesară folosirea unei noi denumiri: mecanica fluidelor. În prezent, sintagma mecanica fluidelor este folosită pentru partea cu caracter pronunțat teoretic a disciplinei menționate, iar termenul hidraulică desemnează partea preponderent aplicativă a acesteia, care utilizează metode experimentale și formule empirice, alături de metodele teoretice.Eugen Mihai Ionescu, Hidraulica generală, Universitatea Petrol-Gaze din Ploiești, 2010. (online)

Scurt istoric Denumirea hidraulicii provine din cuvintele grecești ὕδωρ (hydor sau hidro - în românește „apă”) și αὐλός (aulos - „țeavă” sau „conductă”), reflectând astfel importanța pe care o aveau în antichitate problemele transportului apei pe conducte. Primul nume legat de domeniul hidraulicii datează încă de pe timpul Greciei antice, atunci când Arhimede se ocupa cu studiul hidrostaticii (Principiul lui Arhimede). Remarcabilele construcții hidrotehnice ale romanilor (apeducte, diguri de protecție împotriva inundațiilor, canalizări, băi publice) s-au bazat pe cunoștințe de hidraulică, având un caracter predominant experimental.

Dar problemele hidraulicii s-au conturat mai concret abia în secolele XVI - XVII, odată cu dezvoltarea manufacturilor, în epoca Renașterii. Lucrarea lui Leonardo da Vinci (1452-1519) intitulată „Despre mișcarea și măsurarea apei” (publicată însă abia în secolul XIX) este remarcabilă prin modul de a pune și a rezolva unele probleme de hidraulică. Leonardo da Vinci a făcut primele încercări experimentale și a lăsat câteva schițe corect întocmite privind curgerea apei în jurul corpurilor solide.Hâncu (2007), vol. I, p. 16.

Dezvoltarea hidraulicii pe bază de cunoștințe teoretice și experimentale a avut loc începând din secolul al XVII-lea, când ideile lui Arhimede au fost reluate și duse mai departe de o pleiadă de oameni de știință. Astfel, Simon Stevin (1548-1620], matematician și fizician flamand, a avut contribuții majore în hidrostatică, descoperind legile presiunii lichidelor asupra pereților vaselor (inclusiv „paradoxul hidrostatic”: presiunea într-un lichid nu depinde de forma vasului care îl conține, ci numai de adâncime). Evangelista Torricelli (1608-1647), matematician și fizician italian, unul din elevii lui Galileo Galilei, a descoperit, printre altele, legea scurgerii lichidelor prin orificii. Matematicianul, fizicianul și filozoful francez Blaise Pascal (1623-1662) a efectuat numeroase experimente asupra presiunii atmosferice și echilibrului lichidelor, stabilind principiul transmiterii presiunii într-un fluid.

Newton (1642-1727) a stabilit formule pentru calculul rezistenței la înaintare a corpurilor și a formulat legea frecării la mișcarea fluidelor vâscoase. În prezent, fluidele care respectă această lege sunt numite fluide newtoniene, spre deosebire de cele care nu respectă legea lui Newton și care se numesc fluide nenewtoniene (de exemplu substanțele coloidale).

Bazele științifice ale hidraulicii au fost puse în secolul al XVIII-lea, atunci când matematicile ajunseseră deja la un nivel superior de dezvoltare (calculul diferențial și calculul integral căpătaseră forma cunoscută în prezent). Hidraulica avea să beneficieze din plin de rezultatele obținute în domeniul analizei matematice, dar și matematicile s-au dezvoltat prin lărgirea domeniului de probleme abordate cu cele specifice hidraulicii. Din acel secol, hidraulica s-a dezvoltat ca disciplină științifică de sine stătătoare, cu cele două ramuri ale sale - hidraulica teoretică și hidraulica aplicată (tehnică) - datorită îndeosebi contribuției hotărâtoare a unor matematicieni ca Euler, Daniel Bernoulli, D'Alembert, Lagrange, și alții. Astfel, Leonhard Euler (1707-1783) a stabilit ecuațiile fundamentale ale staticii și dinamicii fluidelor ideale, a demonstrat ecuația de continuitate a fluidelor și a formulat teorema impulsului, pe care a aplicat-o roților hidraulice. Daniel Bernoulli (1700-1782) a publicat, în anul 1738, primul tratat de hidraulică (Hydrodinamica, sive de viribus et motibus fluidorum commentarii) și a stabilit ecuația energiei pentru un fluid în aflat în curgere staționară, cunoscută în prezent sub numele de Ecuația lui Bernoulli. D'Alembert (1717-1783) a stabilit principiul echilibrului dinamic al unui fluid și paradoxul rezultantei nule a presiunilor pe un cilindru aflat în mișcare de translație într-un fluid ideal (Paradoxul lui D'Alembert)

În secolul al XIX-lea hidraulica a cunoscut noi etape de dezvoltare. Astfel, în 1845 Stokes a scos în evidență discrepanța dintre relațiile de calcul stabilite pe cale teoretică și datele experimentale referitoare la mișcarea unei sfere într-un lichid la viteze mari. Stokes a avut o contribuție importantă și la stabilirea ecuațiilor generale care descriu mișcarea fluidelor vâscoase – Ecuațiile Navier–Stokes, numite astfel după Claude-Louis Navier și George Gabriel Stokes, care le-au stabilit independent unul de celălalt. Saint-Venant a stabilit în 1870 ecuațiile curgerii nepermanente în albii deschise, ecuații care abia în zilele noastre au putut fi rezolvate în plenitudinea lor, folosind metodele analizei numerice și calculatoarele electronice.

În 1883 Osborne Reynolds, prin experiențele sale devenite clasice, a explicat discordanța dintre datele experimentale și cele teoretice stabilite la acea dată punând în evidență existența a două regimuri de mișcare a fluidelor: laminar și turbulent.Hâncu (2007), vol. I, p. 17. Studiile sale experimentale au contribuit decisiv la clarificarea problemelor legate de viscozitatea fluidelor și de curgerea în regim turbulent. Tot în secolul al XIX-lea au fost stabilite criteriile de similitudine hidraulică de către Reynolds și Froude.Mateescu, p. 11.

În secolul XX hidraulica s-a dezvoltat în paralel (dar și în strânsă legătură) cu aerodinamica. Numărul oamenilor de știință cu contribuții deosebite în dezvoltarea hidraulicii, a mecanicii fluidelor și aerodinamicii a crescut mult. Au apărut și s-au dezvoltat centre de cercetare hidraulică, s-au construit laboratoare de hidraulică dotate cu instalații și aparatură modernă, s-au creat școli cu tradiție de către mari oameni de știință din domeniul mecanicii fluidelor. Este dificil de a enumera lista marilor hidraulicieni ai secolului XX care au contribuit substanțial la dezvoltarea hidraulicii teoretice și experimentale. Dintre toți, trebuie însă remarcat germanul Ludwig Prandtl (de la Universitatea din Gottingen) care poate fi considerat „un Newton al mecanicii contemporane a fluidelor”; printre altele, el a stabilit și dezvoltat teoria stratului limită și a elaborat teoria semiempirică a turbulenței pe baza noțiunii de „lungime de amestec”.

La dezvoltarea hidraulicii au avut o contribuție importantă și unii oameni de știință români. George Constantinescu (1881-1965) a creat sonicitatea, știința transmiterii energiei cu ajutorul undelor în fluide și în solide, având numeroase aplicații în tehnică. Henri Coandă, un mare inventator în diverse ramuri ale tehnicii, constructorul primului avion cu reacție, a descoperit un nou fenomen caracteristic interacțiunii dintre un jet de fluid și un obstacol, numit efectul Coandă, de asemenea cu numeroase aplicații în tehnică. Primul tratat românesc de hidraulică îi aparține lui Dionisie Germani (1877-1948), fiind publicat în anul 1942. Alți cercetători români, ca acad. Dumitru Dumitrescu și acad. Cristea Mateescu, și-au înscris numele alături de mari hidraulicieni ai secolului XX.

Subdomenii ale hidraulicii În timp, hidraulica s-a dezvoltat diferențiindu-se două ramuri: hidraulica teoretică, ce utilizează metodele și rezultatele mecanicii fluidelor (ramură a mecanicii mediilor continue); hidraulica aplicată, care se ocupă cu rezolvarea unor probleme practice folosind atât studiul teoretic, însă în forme accesibile inginerilor și tehnicienilor, cât și studiul experimental. Diferențierea celor două ramuri ale hidraulicii se datorează, pe de o parte, schematizării uneori excesive a mișcării reale a fluidelor, pentru a se obține astfel soluții teoretice, însă cu aplicabilitate practică limitată, pe de altă parte, expresiei foarte complicate a acestor soluții, cu dificultăți la utilizarea lor la rezolvarea problemelor inginerești. Totodată trebuie remarcat și faptul că pentru multe probleme practice singurele soluții care s-au putut găsi se datorează studiului experimental.

În prezent, cunoștințele mai profunde și mai largi în domeniul hidraulicii și mai ales apariția și dezvoltarea calculatoarelor electronice au creat condițiile dispariției diferențelor dintre cele două denumiri, hidraulica teoretică și hidraulica aplicată. Se poate astfel renunța la unele ipoteze simplificatoare ale calculului și se pot crea modele noi de calcul - hidraulica poate astfel profita din plin de metodele de modelare numerică dezvoltate de MFN.

În mod tradițional, hidraulica are trei subdomenii principale: hidrostatica hidrocinematica hidrodinamica

Noțiuni fundamentale Clasificări ale mișcării fluidelor În funcție de condițiile în care se desfășoară, mișcarea fluidelor poate avea diferite aspecte particulare. Clasificarea mișcării fluidelor se face pe baza unor criterii care exprimă de fapt aceste condiții care particularizează mișcarea. Principalele clasificări ale mișcării fluidelor suntHâncu (2007), vol. I, p. 155.:

a) După criteriul variației în timp a mărimilor caracteristice ale fluidului în mișcare: mișcări permanente; mișcări nepermanente.