chương 1: Sau khi học xong chương này, sinh viên nắm được - Đối tượng và phương pháp nghiên cứu của môn học Thủy lực; - Ôn lại các kiến thức cơ bản về các tính chất vật lý của chất lỏng; - Lực tác dụng trong chất lỏng; - Khái niệm chất lỏng lý tưởng. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Định nghĩa khoa học Thủy lực được định nghĩa là môn khoa học ứng dụng nghiên cứu những qui luật cân bằng và chuyển động của chất lỏng và những biện pháp áp dụng những qui luật này. Cơ sở của môn thủy lực là cơ học chất lỏng lý thuyết; đây là môn nghiên cứu những qui luật cân bằng và chuyển động của chất lỏng, phương pháp nghiên cứu chủ yếu là sử dụng công cụ toán học phức tạp.
Phương pháp nghiên cứu của môn thủy lực hiện đại là kết hợp chặt chẽ sự phân tích lý luận với sự phân tích tài liệu thí nghiệm, thực đo, nhằm đạt tới những kết quả cụ thể để giải quyết những vấn đề thực tế trong kỹ thuật; những kết quả nghiên cứu của môn thủy lực có thể có tính chất lý luận hoặc nửa lý luận nửa thực nghiệm hoặc hoàn toàn thực nghiệm. Do đó môn thủy lực còn được gọi là môn cơ học chất lỏng ứng dụng hoặc cơ học chất lỏng kỹ thuật. Kiến thức về khoa học thủy lực rất cần cho người cán bộ kỹ thuật như ngành thủy lợi, giao thông đường thủy, cấp thoát nước cần nhiều áp dụng nhất về khoa học thủy lực, thí dụ để giải quyết các công trình đập, đê, kênh, cống, nhà máy thủy điện, tuốc bin, các công trình đường thủy, chỉnh trị dòng sông, các hệ thống dẫn tháo nước v. Trong khoa học thủy lực hiện đại đã hình thành nhiều lĩnh vực nghiên cứu chuyên môn như thủy lực đường ống, thủy lực kênh hở, thủy lực công trình, thủy lực sông ngòi, thủy lực dòng thấm v.
Tuy nhiên, tất cả những lĩnh vực nghiên cứu đó đều phát triển trên cơ sở những qui luật thủy lực chung nhất mà người ta thường trình bày trong phần gọi là thủy lực đại cương. Vì thế đối với người kỹ sư, người làm công tác nghiên cứu, trước hết cần nắm vững thủy lực đại cương làm cơ sở trước khi đi sâu vào thủy lực chuyên môn. Phương pháp nghiên cứu Trong thủy lực học thường dùng ba phương pháp nghiên cứu phổ biến sau đây: - Phương pháp lý thuyết: Sử dụng công cụ toán học, chủ yếu là toán giải tích, phương trình vi phân với các toán tử vi phân quen thuộc như: gradient, rotor, toán tử Paplas, đạo hàm toàn phần.Sử dụng các định lý tổng quát của cơ học như định lý bảo 5 toàn khối lượng, năng lượng, định lý biến thiên động lượng, mô men động lượng. - Phương pháp thực nghiệm: dùng trong một số trường hợp mà không thể giải bằng ý thuyết (như xác định hệ số cản cục bộ, hệ số .) - Phương pháp bán thực nghiệm: Kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm Trước khi nghiên cứu những qui luật chung nhất về sự cân bằng và chuyển động của chất lỏng, cần nắm vững những đặc tính cơ học chủ yếu của chất lỏng.
Khi nghiên cứu những đặc tính vật lý chủ yếu của chất lỏng, những qui luật chuyển động và cân bằng, cần phải dùng đến một hệ đo lường nhất định. Trong thực tế ở Việt Nam các kỹ sư thường sử dụng 2 hệ đo lường: hệ kỹ thuật MKGS và hệ quốc tế SI Hệ kỹ thuật MKGS quy định: - Độ dài đo bằng mét (m); - Lực đo bằng kilôgam lực (kG); - Thời gian đo bằng giây (s); - Khối lượng được xác định bằng lực trên gia tốc có đơn vị là kG. Hệ quốc tế SI quy định: - Độ dài đo bằng mét (m); - Thời gian đo bằng giây (s); - Lực có đơn vị N, 1N=1kgm/s2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN, ỨNG DỤNG CỦA KHOA HỌC THỦY LỰC Bộ môn thủy lực có lịch sử phát triển rất lâu đời, bắt nguồn từ hàng nghìn năm trước công nguyên.
Dấu tích của các công trình xây dựng quy mô lớn còn lưu lại đến ngày nay như các công trình thủy lợi nông nghiệp, hệ thống tiêu thoát nước trong thành phố, sự phát triển của ngành hàng hải dầu khí.chứng tỏ dân cư của nền văn minh trước đây đã nắm được những kiến thức rất sâu săc về thủy lực. Sự phát triển của thủy lực có thể phân ra thành các thời kỳ như sau: 1. Trước thế kỷ XVII Thời kỳ cổ đại Loài người sống và sản xuất có mối quan hệ mật thiết với nước. Đến nay còn nhiều di tích về các công trình thủy lợi như mương, đập, đê, giếng.
từ ba bốn nghìn năm trước công nguyên ở Ai Cập, Ấn Độ, Trung Quốc và nhiều nơi khác. Những kinh nghiệm giải quyết nhu cầu của con người về nước, chống thiên tai, làm thủy lợi được truyền miệng từ đời này sang đời khác, thủy lực thời cổ đại chưa có cơ sở khoa học nào, con người thực hiện các công trình thủy lợi một cách mò mẫm, tiếp cận dần dần đến mục đích. Thời kỳ cổ Hy Lạp 6 Ở Hy Lạp trong những năm trước công nguyên đã xuất hiện một số luận văn có ý định tổng kết và phát triển một vài vấn đề thủy lực. Nhà toán học Acsimet (287-212 trước công nguyên) đã để lại luận văn về thủy tĩnh học và về vật nổi, trong đó có lý luận về sự ổn định của vật nổi mà 20 thế kỷ sau người ta cũng không có bổ sung gì đáng kể.
Cùng một trường phái Alécdăngđờri với Acsimet, có Stêdibiốt phát minh máy bơm chữa cháy, đồng hồ nước, đàn nước v. PhilenđờBiđanxơ phát triển lý thuyết siphôn, Hêron Alécdăngđờri miêu tả nhiều cơ cấu thủy lực v. Thời kỳ cổ La mã Người La mã mượn rất nhiều văn minh của Hy Lạp và tập trung sức vào chiến chinh và cai trị. Họ xây dựng nhiều cầu dẫn nước, phần lớn có mặt cắt chữ nhật rộng từ 0,60 đến 0,80m, cao từ 1,5 đến 2,4m, đặt nhiều hệ thống cấp nước bằng chì hoặc đất nung, có khi bằng đồng hoặc bằng đá ở đầu nguồn, là những đập dâng nước.
Họ đào nhiều giếng, biết dùng những bể lắng v. Kỹ sư xây dựng người La Mã Phờrôntin, cuối thể kỷ thứ I sau công nguyên, để miêu tả phương pháp đo lưu lượng bằng vòi. Thời kỳ Trung cổ Sau sự sụp đổ của đế chế La mã, là một thời kỳ dài khoảng nghìn năm, sản xuất, văn hóa, khoa học đều ngừng trệ, môn thủy lực cũng không phát triển được. Thời kỳ Phục hưng Trong nửa sau thế kỷ thứ XV và cả thế kỷ thứ XVI, bắt đầu phát triển những nghiên cứu thực nghiệm.
Thời kỳ này xuất hiện nhà bác học lỗi lạc người Ý là LêônađơVanhxi (1452-1592), xuất sắc trên lĩnh vực hội họa, điêu khắc, âm nhạc, vật lý, giải phẫu, thực vật, địa chất, cơ học, xây dựng, kiến trúc. Về mặt thủy lực học, một mặt ông thiết kế và điều khiển xây dựng những công trình thoát nước và công trình cảng ở miền Trung nước Ý, mặt khác ông đã nghiên cứu nguyên tắc làm việc của máy nén thủy lực, khí động học của vật bay, sự phân bố vận tốc trong những xoáy nước, sự phản xạ và giao thoa của sóng, dòng chảy qua lỗ và đập v.; ông phát minh máy bơm ly tâm, dù, phương tiện đo gió. Những công trình của ông viết trong 7 nghìn trang bản thảo còn được lưu lại ở nhiều thư viện như Luân Đôn, Pari, Milan, Tuarin v. Trong thời kỳ Phục hưng, cần phải kể đến những công trình của nhà toán học - kỹ sư Hà Lan Simôn Stêvin (1548-1620) phát triển thủy tĩnh học, đặc biệt đã phân tích đúng đắn lực tác dụng bởi một chất lỏng lên một diện tích phẳng và đã giải thích “nghịch lý thủy tĩnh học”.
Nhà vật lý, cơ học, thiên văn học người Ý là Galilê (1564-1642) chỉ ra rằng sức cản thủy lực tăng theo sự gia tăng vận tốc và sự gia tăng mật độ của môi trường lỏng; đồng thời ông còn phân tích vấn đề chân không. Thế kỷ XVII đến thế kỷ XX Tiếp theo LêônađơVanhxi, trường phái thủy lực Ý vẫn nổi bật trong những thế kỷ XVI và XVII. Casteli (1517-1644) trình bày khá cụ thể nguyên tắc và tính liên tục của 7 chất lỏng. Tôrixêli (1608-1647) làm sáng tỏ nguyên tắc dòng chảy qua lỗ và sáng chế áp kế thủy ngân.
Trường phái thủy lực Pháp bắt đầu xuất hiện từ thế kỷ XVII với Mariốt (1620-1684), tác giả cuốn sách “luận về chuyển động của nước và những chất lỏng khác”, Pascan (1613-1662) xác lập tính chất không phụ thuộc của trị số áp suất thủy tĩnh đối với hướng đặt của diện tích chịu lực, giải thích triệt để vấn đề chân không, chỉ ra nguyên tắc của máy nén thủy lực, nêu lên nguyên tắc Pascan về sự truyền áp suất thủy tĩnh. Các vấn đề thủy lực cho đến lúc này được nghiên cứu một cách riêng rẽ chưa liên hệ được với nhau thành một hệ thống có đầy đủ tính khoa học; phải đợi sự phát triển của toán học và cơ học, mới có cơ sở để đưa thủy lực học thực sự trở thành một khoa học hiện đại. Thời kỳ giữa và cuối thế kỷ XVIII a) Cơ sở lý thuyết của cơ học chất lỏng hiện đại Nhờ sự phát triển của toán học và cơ học, những cơ sở của cơ học chất lỏng hiện đại được hình thành nhanh chóng; trong đó có sự đóng góp lớn của ba nhà bác học của thế kỷ XVIII là: Đanien Becnuly, Ơle và Đalambe. Đanien Becnuli (1700-1782) là nhà vật lý và toán học xuất sắc, ông đã viết công trình nổi tiếng “Thủy động lực học” (năm 1738), trong đó ông đã đưa ra cơ sở lý luận của phương trình chuyển động ổn định của chất lỏng lý tưởng mang tên ông, mà ông lập luận cho một dòng nguyên tố, theo nguyên tắc bảo toàn động năng.
Lêôna Ơle (1707-1783) - nhà toán học, cơ học và vật lý vĩ đại. Ông nổi tiếng với phương pháp nghiên cứu các yếu tố thủy lực tại một điểm cố định, gọi là phương pháp Ơle, với những phương trình vi phân chuyển động của chất lỏng lý tưởng mang tên ông, làm cơ sở cho thủy động lực học; ông đã khái quát chương trình vi phân liên tục của Đalămbe thành dạng chung dùng cho cả chất khí, ông đã suy từ những phương trình vi phân nói trên ra phương trình Becnuli. Ông cũng nghiên cứu những máy thủy lực và là người đầu tiên nêu lên công thức cơ bản của những máy tuốc bin. Ông có những luận văn về sự chuyển động và cân bằng chất lỏng.
Những kết quả nghiên cứu của các nhà toán học nói trên tạo nên cơ sở lý thuyết cho cơ học chất lỏng hiện đại.