Chương 1 KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ THUỶ LỰC 1. Khái niệm chung về môn học 1. Định nghĩa khoa học “Thuỷ lực”- Phạm vi ứng dụng và lĩnh vực nghiên cứu của khoa học thuỷ lực Thủy lực là một môn khoa học ứng dụng nghiên cứu những quy luật cân bằng và chuyển động của chất lỏng và những biện pháp áp dụng những qui luật này. 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. Cơ sở của môn thủy lực là cơ học chất lỏng lý thuyết, môn này cũng nghiên cứu những qui luật cân bằng và chuyển động của chất lỏng, nhưng phương pháp chủ yếu của việc nghiên cứu sử dụng công cụ toán học phức tạp. Vì vậy, 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 ở nhiều ngành sản xuất vì thường phải giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật có liên quan đến sự cân bằng và chuyển động của chất lỏng, đặc biệt là sự cần thiết của nước.
Những ngành thủy lợi, giao thông đường thủy, cầu đường, cấp thoát nước, dầu khí, khai thác mỏ, hàng hải, hàng không, chế tạo máy đến ngành khoa học vũ trụ… 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, nắn dòng sông, các hệ thống dẫn tháo nước, cấp thoát nước trong khai thác và tuyển khoáng… 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, thuỷ lực - máy thuỷ lực, thủy lực sông ngòi, thủy lực dòng thấm… Tuy nhiên, tất cả các 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 phần thủy lực đại cương. Vì thế, đối với người kỹ thuật viên, 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 phần thủy lực chuyên môn. Giáo trình này bao gồm hai phần: Phần đầu chủ yếu nói về thủy lực đại cương có thể dùng cho học sinh, sinh viên các ngành khác nhau; Phần hai nói về thủy lực chuyên môn (máy thuỷ lực, truyền động thuỷ lực - khí nén) chủ yếu phục vụ cho học sinh sinh viên ngành kỹ thuật nói chung và ngành kỹ thuật mỏ nói riêng. 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 và những qui luật chuyển động và cân bằng, cần phải dùng một hệ đo lường nhất định. Cho đến nay thường dùng hệ đo lường vật lý (CGS) và hệ đo lường kỹ thuật (MkGS). Theo nghị định của hội đồng chính phủ ngày 26/12/1964 thì từ ngày 1/1/1967 bắt đầu có hiệu lực “Bảng đơn vị đo lường hợp pháp của nước Việt Nam dân chủ cộng hòa”. Trong hệ đo lường hợp pháp đó, về đơn vị thì những đơn vị cơ bản được xác định như sau: đơn vị độ dài là mét (m), đơn vị khối lượng là ki-lô-gam (kg), đơn vị thời gian là giây (s).
4 Trong giáo trình này chúng ta cũng dùng đơn vị mới; nhưng để thuận tiện cho việc chuyển dần đơn vị cũ sang đơn vị mới, chúng ta cũng nêu đơn vị cũ. Sau đây là một vài hệ thức giữa những đơn vị thường gặp trong giáo trình. Đơn vị lực là Niu-tơn (N); 1N = 1kg x 1m/s2 = 1mkg s- 2. Trong hệ thống đơn vị cũ, đơn vị lực là ki-lô-gam -lực, chúng ta dùng kí hiệu kG để biểu thị đơn vị này 1kG = 9,807N hoặc 1N = 0,102kG Đơn vị công là Jun (J): 1J = 1N x 1m = 1m2kg s - 2 Đơn vị công suất là Oát (W): 1W = 1J/s = 1m2kg s - 3.
Sơ lược lịch sử phát triển khoa học thủy lực 1. Thời kỳ cổ đại Loài người sống và sản xuất có liên 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, Mê - đô- pô- ta - mi, Ấn - Độ, Trung Quốc và nhiều nơi khác. Những kinh nghiệm, giải quyết nhu cầu của con người về nước chống thuỷ 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 lực một cách mò mẫm, tiếp cận dần dần đến mục đích.
Thời kỳ cổ Hy Lạp 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 Ácsimét (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 A-léc-dăng-đờ-ri và Ác-si-mét, có Stê-di-bi-ốt phát minh máy bơm chữa cháy, đồng hồ nước, đàn nước… Phi-len-đờ-Bi-dan-xơ phát triển lý thuyết si-phôn, Hê-ron A-léc-dăng-đơ-ri miêu tả nhiều cơ cấu thủy lực… 1. Thời kỳ cổ La mã Những người La mã mượn rất nhiều của văn minh 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 cống 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.v… Kỹ sư xây dựng người La mã Phờ -rôn- tin, cuối thế kỷ thứ 1 sau công nguyên, đã 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. (Sự xuất hiện phương pháp thực nghiệm) 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 Ý Lê-ô-na -đơ- vanh- xi (1452-1529), xuất sắc trên các lãnh vực hội họa điêu khác, 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 5 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 những 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…; ống phát minh máy bơm ly tâm, dù, cái 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, Pa-ri, Mi-lan, Tua-rin…Do đó, có thể coi Lê-ô-na-đơ-vanh-xi như là người sáng lập ra khoa học thủy lực. Trong thời kỳ Phục hưng, cần kể đến những công trình của nhà toán học - kỹ sư Hà lan Si-môn- Stê -vin (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 và thiên văn học Ý Ga-li-lê (1564-1642) đã chỉ ra rằng sức cản thủy lực tăng theo sự gia tăng vận tốc và sự gia tăng mật độ của môi trường lỏng; Ông còn phân tích vấn đề chân không. Thủy lực học sau thời kỳ Phục hưng, ở thế kỷ XVII và đầu thế kỷ XVIII.
Tiếp theo Lê-ô-na-đơ-Vanh-xi, trường phái thủy lực Ý vẫn nổi bật trong những thế kỷ XVI và XVII. Cas-te-li (1517 - 1644) trình bày dưới dạng sáng sủa nguyên tắc và tính liên tục. Tô-ri-xe-li (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 Ma-ri-ốt (1620-1684) tác giả cuốn sách “luận về chuyển động của nước và những chất lỏng khác”, Pa-scan (1613-1662) xác lập tính chất không phụ thuộc vào trị số áp lực 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 Pa-scan 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 thóng 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. Chính thời kỳ này toán học và cơ học đã có những tiến bộ lớn, do đó đã góp phần chuẩn bị cho sự phát triển mới của thủy lực học. Cần kể đến những nhà toán học Pháp Đê-các-tơ (1598-1650), Pa-scan (1623-1662), nhà toán học, vật lý, thiên văn học Hà lan Huy-ghen (1629-1695), những nhà toán học, cơ học Anh Húc-cơ (1635-1703), Niu-tơn (1643-1727) nhà toán học Đức Lép-nít-dơ (1646-1716). Thời kỳ giữa và cuối thế kỷ XVIII a.
Sự hình thành những 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; đó là công lao trước hết của ba nhà bác học, của thế kỷ XVIII là: Đa-ni-en-Béc-nui-y, Lê-ô-na-Ơ-le và Đa-lăm-be. Đa-ni-en-Béc-nui-y (1700-1782) - nhà vật lý và toán học xuất sắc -sinh ở Gơ-rô- ninh-ghe (Hà lan); từ 1725 đến 1733 sống ở Pê-téc-bua (Nga) là giáo sư và viện sĩ viện Hàn lâm Pê-téc-bua; ở đây 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 tồn động năng.