01 scurt istoric-1 mecanica fluidelor
Post on 02-Nov-2015
16 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
-
1
1. INTRODUCERE 1.1 SCURT ISTORIC
Dei dezvoltarea societii este strns legat de aplicaii ale mecanicii fluidelor,
precum alimentarea cu ap a zonelor locuite, irigarea terenurilor agricole i navigaia,
mecanica fluidelor apare ca disciplin de studiu independent n secolul al XVIII-lea,
fundamentele ei teoretice fiind formulate de ctre matemeticienii Daniel Bernoulli i
Leonard Euler. Dintre personalitile care au contribuit la formarea i dezvoltarea
mecanicii fluidelor i ale aplicaiilor acestora n tehnic mai amintim (cronologic):
Arhimede (287212 .e.n), matematician,
fizician, inginer, astronom i filozof, s-a
nscut n Sicilia, port al coloniei Siracuza
din Grecia antic. Este considerat cea
mai de seam personalitate a mecanicii
antice. Lucrrile pstrate ale lui Arhimede
au fost publicate prima dat n 1544, la
Basel, [1] i au influenat creaia unor
personaliti ale tiinei precum Galileo
Galilei i Isaac Newton [2]. A fost cel care
formulat principiul fundamental al plutirii
corpurilor n lucrarea Despre plutirea
Corpurilor. Legat de momentul acestei
descoperiri a rmas celebr n istorie
expresia Evrika! (Am gsit/descope-
rit!), Vitruvius (De Arhitectura, vol. IX) [3].
Lui i este atribuit i construirea un
elevator hidraulic bazat pe un mecanism
elicoidal, cunoscut ca urubul lui
Arhimede (urubul fr sfrit) [4], cu ajutorul cruia se poate ridica apa peste nivelul
sursei de alimentare, dup cum este prezentat n figura 1.2.
Fig. 1.2 Schema de principiu a elevatorului hidraulic construit de Arhimede
Fig.1.1 - Arhimede
-
Mecanica Fluidelor
2
n Geografia, vol. 7 [5], Strabon (64/63 .e.n 24 e.n) sugereaz folosirea unui
sistem similar cu trei secole naintea lui Arhimede, n Mesopotamia, pentru irigarea
Grdinilor Suspendate din Babilon, una dintre cele apte minuni ale lumii antice.
Variante constructive ale urubului lui Arhimede se regsesc i n lucrrile lui Leonardo
da Vinci. Figura 1.1 l sprezint pe Arhimede pregtind aprarea Siracuzei, dup o
gravur medieval [6].
Ctesibios (secolul III .e.n.), este considerat de ctre antici ca fiind fondatorul
colii de mecanic din Alexandria [1]. Potrivit relatrilor lui Vitruvius (De Arhitectura,
vol. X), el este constructorul unor maini precum pompa acionat pneumatic, orga
hidraulic, ceasul cu ap bazat pe determinarea timpului de golire a unui rezervor, prin
sifonare la o diferen de nivel constant. Construcia i funcionarea acestor aparate,
figura 1.3, a fost descris ulterior i de Heron [7], care n lucrrile sale sintetiza la
momentul respectiv principalele realizri ale lumii antice n domeniul mecanicii.
Fig. 1.3 (a) Org hidraulic i (b) ceas cu ap, dup Heronis Alexandrini -
Pneumatica et Automata, de Wilhelm Schmidt, Leipzig, 1899
Heron din Alexandria (sec II .e.n.) este considerat cel mai important
mecanician al epocii sale, cu preocupri att teoretice ct i practice. Lucrrile care i-
au fost recuperate au fost publicate n cunoscuta colecie Bibliotheca Scriptorum
Graecorum et Romanorum Teubneriana: Heronis Alexandrini, Opera quae supersunt
omnia, Leipzig, 1899 1914, n cinci volume. Primul volum, Pneumatica et Automata,
conine lucrri n care sunt descrise o serie de mecanisme i aparate cu acionare
pneumatic i/sau hidraulic, precum ceasurile cu ap, dispozitivele de nchidere i
deschidere automat a uilor templelor, lmpi cu fitil automat etc. Volumul mai conine
-
Introducere
3
i fragmente din Pneumatica lui Filon din Bizan (sec. II .e.n.) i Arhitectura lui
Vitruvius. Dintre aparatele acionate de fluide pe care Heron le-a inventat, menionate
n mod curent sunt fntna (realizat n mai multe variante constructive) pus n
funciune de energia hidrostatic a apei acumulate n bazinul acesteia, figura 1.4(a) i
Aeolipile (dup numele zeului grec al vntului, Aeolus), prima main acionat de
aburi, figura 1.4(b). Aburul care se forma n cazanul de jos, prin nclzirea apei, urca
prin interiorul evilor de susinere a sferei i se destindea n nite ajutaje diametral
opuse. Reaciunea creat de jeturile de abur puneau n micare sfera.
Fig. 1.4 (a) Fntna lui Heron (varianta n care alimentarea se realiza prin interiorul unei sculpturi reprezentnd un satir) i (b) Aleopile, dup Heronis
Alexandrini - Pneumatica et Automata de Wilhelm Schmidt, Leipzig, 1899
Marcus Vitruvius Pollio (secolul I .e.n.) i Sextus Iulius Frontius (sec I e.n.)
sunt doi dintre reprezentanii tehnicii romane, dezvoltat sub influena celei greceti,
dar avnd un caracter mai practic, evideniat de impresionantele lucrri publice
realizate: drumuri, poduri, apeducte, bi etc. n tratatul n zece volume, De Arhitectura
[3], Vitruvius sintetizeaz i descrie principalele realizri tehnice ale epocii sale
referitoare de construcia cldirilor i utilitilor i a mainilor cunoscute pe atunci:
maini de ridicat, de scos ap, mori de vnt. O descriere mai amnit a apeductelor
-
Mecanica Fluidelor
4
romane o face Frontius n lucrarea De Aquis Urbis Romae [8], n care face i
observaia c debitul de ap depinde de nivelul rezervorul i de diametrul conductei.
Introduce n practic ajutajele
calibrate, numite calices, cu
ajutorul crora se regla debitul n
funcie de necesiti.
Spectaculoase din punct de vedere
arhitectonic, erau poriunile care
traversau vi, n aceste zone
apeductele fiind susinute de poduri
cu arcade, uneori chiar pe mai
multe niveluri, precum n figura 1.5.
Dei o mare parte dintre ele au fost
distruse n timp, unele mai sunt
nc funcionale, precum apeductul
Agua Virgo, inaugurat n anul 19
.e.n. i care n prezent
alimenteaz fntna Trevi din Roma.
Leonardo da Vinci (14521519), figur
emblematic a Renaterii italiene, cunoscut
mai ales ca pictor, este cel cruia i se
datoareaz i o serie descoperiri importante n
mecanic, fiind un vizionar n acest domeniu.
Cele mai importante contribuii la studiul
fluidelor sunt cuprinse n Del moto e misura
dellacqua [9], un tratat n nou pri publicat n
1828 n forma cunoscut n prezent i n care
Leonardo abordeaz i trateaz subiecte
practice i de interes la acea vreme referitoare
la curenii de ap: curgerea cu suprafa liber,
curgerea turbulent cu vrtejuri, utilizarea
pragurilor i deversoarelor pentru disiparea
energiei cderilor de ap, golirea rezervoarelor
prin sifonare i curgerea prin conducte, diverse
roi i maini hidraulice. Este primul care
descrie i ilustreaz fenomene caracteristice
hidrodinamicii: distribuia de viteze ntr-un
curent, propagarea, reflexia i interferena valurilor, formarea vrtejurilor la modificarea
seciunii de curgere sau la curgerea n jurul corpurilor i propune profilarea
hidrodinamic a acestora.
Fig. 1.5 Pont du Gard, Frana, construit n secolul I e.n.; primul nivel
este folosit i n prezent ca pod
Fig.1.6 Leonardo da Vinci, autoportret
-
Introducere
5
Fig. 1.7 Studiu referitor la curgerea turbulent Observaiile sale referitoare la dependena dintre viteza unui curent i aria
seciunii de curegere a acestuia au precedat i contribuit la formulara principiului
Conservrii masei la curgerea unui fluid [10]. De asemenea, este considerat ca fiind
unul dintre fondatorii tiinelor experimentale, datorit introducerii experimentrii ca
metod de cercetare i rezolvare a problemelor studiate.
Fig. 1.8 Schi cu variante constructive ale urubului lui Arhimede i main hidraulic de ridicat apa cu mecanism de antrenare automat
Unanim recunoscut ca un mare inventator, proiectele sale preced invenii
contemporane precum costumul de scafandru, deltaplanul, automobilul .a.
-
Mecanica Fluidelor
6
Drumul ctre o mecanic modern este
deschis de savantul italian Galileo Galilei (1564-
1642), care elaboreaz una din primele descrieri ale
mecanicii clasice [2]. Cercetrile sale l-au condus la
formularea principalelor noiuni cinematice, viteza i
acceleraia, stabilind astfel legile de micare ale unui
corp greu prin aer (1604) [1] n absena rezistenei
aerodinamice, micarea pe un plan nclinat, micarea
unui pendul greu. Formuleaz principiul ineriei i
emite, primul, ipoteza relativitii micrii. Opera sa a
fost publicat n numeroase ediii, cea mai
cuprinztoare fiind n 20 de volume, Le Opere di
Galileo Galilei, Edizione Nazionale, Firenze, ntre anii 1890-1909. Referitor la fluide,
scrie n 1612 lucrarea Discorso sui gallegianti n care i exprim cosideraiile asupra
plutirii corpurilor.
Tot n aceast perioad se remarc i
Evangelista Torricelli (1608-1647), fizician i
matematician italian, unul dintre elevii lui Galileo
Galilei. El este cel care a construit primul barometru cu
mercur cu ajutorul cruia a pus n eviden i a
msurat pentru prima dat presiunea atmosferic.
Astfel, torr-ul este unitatea de msur a presiunii
denumit n onoarea sa. Lucrrile sale sunt cuprinse n
culegerea Opera Geometrica i publicate n 1644 la
Florena. Rezultatele obinute n mecanic sunt expuse
n De Motu Gravium [11] n care este tratat i
curgerii apei prin orificii. Prin analogie cu micarea unui
corp greu n cdere liber formuleaz, fr demonstraie, o prim form a expresei
vitezei teoretice a unui jet de lichid prin orificiul unui rezervor.
Studiile lui Torricelli referitoare la presiunea
atmosferic sunt continuate ulterior de Blaise Pascal
(1623-1662), fizician, matematician i filozof francez,
unul dintre creatorii hidrostaticii. A formulat legile
variaiei presiunii n interiorul fluidelor (aer i lichide),
de transmitere a presiunii n interiorul lichidelor,
cunoscut n prezent ca legea lui Pascal i a inventat
multiplicatorul hidraulic de for (presa hidraulic).
Lucrrile de mecanic a lui Pascal, publicate postum,
sunt cuprinse n Traitez de l'Equilibre des Liqueurs et
de la Pesanteur de la Masse de l'Air [12]. Unitatea de
msur a presiunii n Sistemul Internaional, pascal-ul, este denumit n onoarea sa.
Fig. 1.9 Galileo Galilei
Fig. 1.10 E. Torricelli
Fig. 1.11 B. Pascal
-
Introducere
7
Isaac Newton (1642-1727), matematician,
fizician i astronom englez, este cel care a
fundamentat mecanica clasic formulnd legile de
micare a corpurilor, motiv pentru care este considerat
i n prezent cea mai influent personalitate din istoria
mecanicii. Principalele studii n acest domeniu au fost
publicate n Philosophi Naturalis Principia
Matematica, 1687. Reeditat n numeroase ediii i
traduceri, tratatul este structurat n trei pri [13]. n
prima parte sunt definite principalele noiuni de
macanic: masa, cantitatea de micare (impulsul),
ineria, fora. De asemenea, sunt formulate cele trei
legi fundamentale ale dinamicii, regula compunerii
micrilor/forelor i principiul relativitii clasice. n partea a doua sunt abordate
probleme referitoare la micarea corpurilor n medii rezistente (fluide) iar n partea a
treia este tratat mecanica corpurilor cereti, unde este formulat i demonstrat legea
atraciei universale.
Are contribuii impotante i n domeniul opticii, fiind iniiatorul teoriei
corpusculare a luminii i cel care a demonstrat experimental sinteza luminii albe din
cele apte culori ale spectrului luminii solare. De asemenea, concomitent cu filozoful i
matematicianul german Gottfried Wilhelm von Leibniz, Newton elaboreaz bazele
calculului diferenial. Pentru contribuiile sale n domeniul tiinei, a fost nnobilat n
1705 de ctre regina Annne a Marii Britanii, devenind Sir Isaac Newton. Unitatea de
msur a forei n Sistemul Internaional, newton-ul, este denumit n onoarea sa.
Henri de Pitot (1695-1771), inginer francez, realizeaz un instrument pentru
determinarea vitezei curenilor de ap, cunoscut n prezent ca tubul Pitot, a crui
descriere o public n 1732 [14].
Daniel Bernoulli (1700-1782), matematician i
fizician elveian, este cel care a publicat primul tratat
tiinific avnd ca subiect dinamica fluidelor [15],
Hydrodinamyca, sive de Viribus et Motibus Fluidorum
Commentarii, Strassburg, 1738, n care definete
principalele proprieti ce caracterizeaz starea unui
curent de fluid i interdependenele dintre acestea,
enunnd o prim form a ceea ce n prezent este
cunost ca legea lui Bernoulli: presiunea ntr-un curent
de fluid scade cu creterea vitezei acestuia. De
asemenea, pune bazele teorei cinetico-moleculare a
gazelor, demostrnd c presiunea execitat de un gaz
pe pereii recipientului ce-l conine este rezultatul aciunii moleculelor gazului i c
presiunea crete cu temperatura.
Fig. 1.12 Isaac Newton
Fig. 1.13 D. Bernoulli
-
Mecanica Fluidelor
8
Leonhard Euler (1707-1783), matematician i
fizician elveian, a fost unul dinte cei mai prolifici
oameni de tii, autor a peste opt sute cinzeci de
articole i lucrri, cele mai multe publicate de
Academia de tiine din Sankt Petersburg, una din
instituiile cu rol stimulator al activiii tiinifice din
secolul XVIII. A conferit o form modern metodelor
matematice de calcul i implicit fizicii. n hidrodinamic,
a dedus ecuaiile difereniale ale curgerii fluidelor
ideale [16] i a introdus noiunea de presiune a
fluidelor n micare.
Jean le Rond dAlembert (1717 1783),
matemetician, filozof i fizician, a avut contribuii
semnificative n domeniul matematicii, n special legate
de calculul derivatele de rezolvarea ecuaiilor
difereniale, cu numeroase aplicaii n fizic, implicit i
n mecanica fluidelor. De numele su se leag
fenomenul cunoscut ca Paradoxul lui dAlembert.
Giovanni Battista Venturi (1746 1822), fizician italian, a studiat curgerea fluidelor prin canale
cu seciune variabil.
Creterea vitezei unui curent de fluid,
concomitent cu scderea presiunii acestuia, datorit
micorrii seciunii de curgere, este cunoscut n
prezent ca efectul Venturi. De asemenea, instrumentul
a crui funcionare se bazeaz pe acest efect pentru
determinarea debitelor prin conducte se numete tub
Venturi. Similar, ejectoarele sunt cunoscute i ca
pompe (cu jet) Venturi.
Fig. 1.14 Leonhard Euler
Fig. 1.15 J. dAlembert
Fig. 1.16 G. Venturi
top related