工程力學ppt第0章

0序論10.1水力學的任務及任務0.2學習水力學的意義

0.3水力學的發(fā)展簡史0序論20.1水力學定義及任務

研究

液體平衡機械運動規(guī)律

應用一門力學科學和技術基礎課對象內(nèi)容課程性質(zhì)所屬科學性質(zhì)3

對象：液體，以水為代表，又如，石油等.研究

液體平衡機械運動規(guī)律

應用一門力學科學和技術基礎課對象內(nèi)容課程性質(zhì)所屬科學性質(zhì)4內(nèi)容：

（1）液體平衡和機械運動規(guī)律（宏觀的，非微觀的運動）

研究

液體平衡機械運動規(guī)律

應用一門力學科學和技術基礎課對象內(nèi)容課程性質(zhì)所屬科學性質(zhì)5研究

液體平衡機械運動規(guī)律

應用一門力學科學和技術基礎課對象內(nèi)容課程性質(zhì)所屬科學性質(zhì)（2）在工程（水利工程等領域）上應用（用水力學知識用于人類改造自然的活動）內(nèi)容：

6內(nèi)容：

（2）在工程（水利工程等領域）上應用（用水力學知識用于人類改造自然的活動）（1）液體平衡和機械運動規(guī)律（宏觀的，非微觀的運動）

7方法：

理論分析、數(shù)值計算和實驗研究結合

理論分析：

數(shù)值計算：

實驗研究：8

理論分析：

將普遍規(guī)律、公理，如：牛頓定律能量守恒原理、力系的平衡定律、動能定律動量定律等用于液體分析中，建立液體微分方程、積分方程，優(yōu)化方程，結合邊界條件、限定條件求解。9數(shù)值計算：

利用計算機技術，數(shù)值求解描述液體運動的微分方程、積分方程等，得到問題的數(shù)值解

10例如，水力學實驗研究

實驗研究：對有關問題進行物理模型實驗其成果是檢驗水力學理論的唯一標準注：實驗在在哲學上屬于實踐的范疇11課程性質(zhì)技術基礎課（介于基礎課和專業(yè)課）12高等數(shù)學

微分（偏導數(shù)、導數(shù)）

積分（曲面積分、定積等）

泰勒展開式

勢函數(shù)

微分方程

要求學過的課程有：13理論力學達朗貝爾原理能量守恒定律動能定律動量定律材料力學

變形概念

平行移軸定律

慣性矩

慣性積等140.1水力學的任務及任務

0.2學習水力學的意義

0.3水力學的發(fā)展簡史0序論150.2學習水力學的意義以水利工程為例，說明水力學的廣泛應用160.2學習水力學的意義液體對建筑物的作用力問題

當關閉閘門，水庫蓄水時，為了計算閘門的強度、剛度、校核大壩的穩(wěn)定性，必須考慮上下游水對大壩和閘門的作用力17液體對建筑物的作用力問題

管道水擊調(diào)壓井v0H0p0γAB18泄水建筑物的過流能力問題

當渲泄洪水時，必須確定校核大壩所能夠通過流量，以確保大壩安全泄洪；或已知泄量，確定大壩的溢流寬度。19泄水建筑物的下游泄洪消能問題

由于大壩壅高水位，泄洪時，下游的水流的動能較大，會沖擊河床，危及大壩的安全，因此，必須采取工程措施，消耗過大的動能，減輕對河床的沖刷。

20河渠水面曲線計算問題

21泄水建筑物的滲流問題

大壩建成后，水流會通過土壤、巖石中的縫隙滲流，對壩基產(chǎn)生作用力，同時產(chǎn)生滲透變形，會危及大壩的安全。22河流泥沙

例如：黃河上高含沙問題

23在水利機械中的應用水泵：葉片、轉(zhuǎn)輪體型水輪機：葉片、轉(zhuǎn)輪體型蝸殼：240.1水力學的任務及任務

0.2學習水力學的意義

0.3水力學的發(fā)展簡史0序論250.3水力學的發(fā)展簡史0.3.1古代中國水力學發(fā)展幾千年來，水力學是人們在與水患作斗爭發(fā)展生產(chǎn)的長期過程中形成和發(fā)展起來的。26相傳四千多年前（公元前2070，夏左右）大禹治水。

他采用填堵筑堤,疏通導引方法，治理了黃河和長江。例如，《莊子·天下篇》所說，大禹“堙（yin）洪水，決江河，而通四夷九州”，治理了“名川三百，支川三千，小者無數(shù)”。27春秋戰(zhàn)國末期（公元前221前左右）

秦國蜀郡太守李冰在岷江中游修建了都江堰，聞名世界的防洪灌溉工程，消除了岷江水患，灌溉了大片土地，使成都平原成為沃野兩千年來，一直造福于人類。28圖

都江堰水利工程平面示意

都江堰工程采取中流作堰的方法，把岷江水分為內(nèi)江和外江，內(nèi)江供灌溉，外江供分洪，這就控制了岷江急流，免除了水災，灌溉了三百多萬畝農(nóng)田。說明當時對堰流理論有一定認識。

29

秦始皇二十八年(公元前219)修建的靈渠。中國溝通長江水系和珠江水系的古運河。又名陡河、興安運河。在今廣西壯族自治區(qū)興安縣境內(nèi)。秦統(tǒng)一六國后，向嶺南用兵，秦始皇派監(jiān)郡御史祿鑿靈渠運糧。它溝通了湘江和漓江，由于歷代不斷增修改進，技術逐步完善，作用日益增大，是2000余年來嶺南（今廣東廣西）與中原地區(qū)的主要交通線路，直至粵漢鐵路和湘桂鐵路通車。30

靈渠渠首處用攔河壩壅高湘江水位，將其一股（今稱南渠）通過穿越分水嶺的人工渠道引入漓江上源支流，并對天然河道進行擴挖和整治后，入漓江；將另一股（今稱北渠）另開新渠于湘江右岸入湘江。31

秦始皇元年（公元前246）韓國水工鄭國主持興建鄭國渠，古代關中地區(qū)的大型引涇灌區(qū)，近代陜西涇惠渠的前身。由于涇水含有大量肥沃的淤泥,灌溉時還可改良鹽堿地，故使產(chǎn)量提高。鄭國渠的建成直接支持了秦國統(tǒng)一六國的戰(zhàn)爭。32大約與此同時，羅馬人建成了大規(guī)模的供水管道系統(tǒng)。33公元1363年（元末）。

曾制造了一種計算時間的工具：銅壺滴漏。通過一系列銅壺的小孔時壺中的水位隨時間變化規(guī)律來計算時間。可見，當時已認識到孔口出流和上游水位間存在一定的關系。34明朝張季訓總結廣大人們與黃河水患作斗爭的豐富的經(jīng)驗，提出“塞旁決以挽正流，以堤束水，以水攻沙”,的治理黃河的措施。可見，當時對流速與過水斷面成反比的連續(xù)方程一定量的水流能攜帶一定量的泥沙規(guī)律有一定認識。35清朝初年我國何夢瑤等人提出用過水斷面面積乘以斷面面積計算流量的方法。36我國人民很早就懂得利用水流的沖力帶動水車、水磨等水利機械。37

0.3.2以純理論分析為基礎的古典流體力學公元前250年

誕生了水力學最早的理論，希臘哲學家阿基米德（Archimedes）在《論浮體》一文中首先提出了論述液體平衡規(guī)律的定律。38阿基米德Archimedes（約公元前287～前212）

古希臘科學家。生于西西里島的敘拉古。父親菲迪阿斯是天文學家。阿基米德曾到埃及的亞歷山大，在歐幾里得開辦的數(shù)學學校學習。后從事數(shù)學、力學、機械的研究。

39阿基米德Archimedes（約公元前287～前212）阿基米德確立了靜力學和流體靜力學的基本原理。給出許多求幾何圖形重心，證明了浮力原理，后稱阿基米德的原理。他還給出正拋物旋轉(zhuǎn)體浮在液體中平衡穩(wěn)定的判據(jù)等。40Da

Fenqi達·芬奇LeonardodaVinci(1452～1519)

意大利藝術家、科學家和工程師。文藝復興時代的代表人物。1452年4月15日生于佛羅倫薩的芬奇鎮(zhèn),1519年5月2日卒于法國。對自然科學如數(shù)學、力學、水利、氣象學、人體解剖、植物學、建筑學、機械學等都有很深造詣。41

達·芬奇在水文和水力學理論方面他最先對漩渦的流速分布、突然擴大斷面和尾流漩渦、波浪傳播和水躍等進行探討或描述，成就遠超過前人。他又提出水的連續(xù)定律,認識到明渠流的邊界阻力,還首先提出關于流線形物體、降落傘、風速表、離心泵等設想。達·芬奇在水利方面的著作有《水的運動與測量》。42

1586年

斯蒂文（S.Stevin）發(fā)表了《水靜力學》，把研究固體的方法用于靜止液體中。43斯蒂文，S.SimonStevin(1548～1620)

荷蘭科學家。1548年生于布魯日（今比利時境內(nèi)），1620年卒于海牙或萊頓。曾當過商人的伙計，在軍隊中任職。斯蒂文在數(shù)學上的貢獻是他在1585年采用了十進位的小數(shù)記數(shù)方法。他對流體力學的貢獻是關于液體平衡的論著《靜力學原理》，1586年發(fā)表，1605年收入他的《數(shù)學文集》44

1653年

巴斯卡（B.Pascal）建立了平衡液體中壓強傳遞的規(guī)律－巴斯卡定律，使水靜力學理論得到進一步發(fā)展。45

帕斯卡

(1623～1662)

法國數(shù)學家、物理學家。1623年6月19日生于克萊蒙費朗，1662年8月19日卒于巴黎。帕斯卡在1653年提出液體能傳遞壓力的定律，即帕斯卡定律，并利用這一原理制成水壓機。國際單位制中壓力單位帕以其姓氏命名。帕斯卡在數(shù)學方面的貢獻主要是發(fā)現(xiàn)了二項式展開定律；他還是概率論的創(chuàng)立人之一。46

1643年

托里拆利（E.Torricelli）提出了液體孔口出流關系式。47托里拆利，E.EvangelistaTorricelli(1608～1647)

意大利物理學家、數(shù)學家。1608年10月15日生于法恩扎，1647年10月25日卒于佛羅倫薩。托里拆利是伽利略的學生及其晚年的助手（1641～1642），1642年繼承伽利略任佛羅倫薩學院數(shù)學教授。托里拆利以發(fā)明氣壓計而聞名。1643年他提出了托里拆利公式。他還求得高次拋物線、擺線等曲線下的面積計算公式，對于微積分的發(fā)明起了先導作用。48

1686年

牛頓（Newton）提出了關于液體內(nèi)摩擦的假定和粘滯性的概念，建立液體的內(nèi)摩擦定律。49

1738年

伯努里（D.Bernoulli）建立了理想液體運動的能量方程－伯努里方程50

丹尼爾第一·伯努利(DanielBernoulli)

1700年生于荷蘭格羅寧根，1782年卒于格羅寧根。1726～1733年在俄國彼得堡科學院主持數(shù)學部。后任植物學、解剖學、自然哲學教授。丹尼爾第一·伯努利以《水動力學，關于流體中力和運動的說明》(1738)一書著稱于世，書中提出伯努利定理。丹尼爾第一的固體力學論著很多。他還考慮過不對稱浮體在液面上的晃動方程。51

1775年

歐拉（L.Euler）建立了理想液體的運動方程－歐拉運動微分方程。52

歐拉，L.LeonhardEuler(1707～1783)

瑞士數(shù)學家、力學家。1707年4月15日生于瑞士，1783年9月18日卒于俄國彼得堡，是18世紀著述最多的數(shù)學家。他的著述涉及當時數(shù)學的各個領域，在力學各領域都有突出貢獻。歐拉用兩種方法來描述流體的運動，這兩種方法通常稱為歐拉表示法和拉格朗日表示法(1755和1759)描述流體速度場；奠定了理想流體的運動理論基礎，給出反映質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程(1752)和反映動量變化規(guī)律的流體動力學方程(1755)。歐拉寫有專著和論文800多種。

53

1843年

1845年

納維爾（L.M.H.Navier）斯托克斯(G.G.Stokes)建立了實際液體的運動方程－納維爾斯托克斯方程，奠定了古典流體力學的理論基礎，使它成為力學的一個分支。但古典流體力學采用嚴格數(shù)學分析方法理論上比較嚴密但數(shù)學上求解困難或某些假設不能符合實際尚難求解大部分實際問題。54Nawei納維，C.-L.-M.-H.Claude-Louis-Marie-HenriNavier(1785～1836)

法國力學家、工程師。1785年2月10日生于第戎，1836年8月21日卒于巴黎。少年時由他舅父、工程師E.-M.戈泰(1732～1807)照料。1802年進巴黎綜合工科學校求學，1804年畢業(yè)后進橋梁公路學校求學，1806年畢業(yè)。1819年起在橋梁公路學校講授應用力學，1830年起任教授。1824年被選為法國科學院院士。

55納維的主要貢獻是為流體力學和彈性力學建立了基本方程。1821年他推廣了L.歐拉的流體運動方程，從而建立了流體平衡和運動的基本方程。方程中只含有一個粘性常數(shù)。1845年G.G.斯托克斯改進了他的流體力學運動方程，得到有兩個粘性常數(shù)的粘性流體運動方程（后稱納維－斯托克斯方程）的直角坐標分量形式。56斯托克斯，G.G.GeorgeGabrielStokes(1819～1903)

英國力學家、數(shù)學家。1819年8月13日生于斯克林，1903年2月1日卒于劍橋。斯托克斯自1849年起在劍橋大學任盧卡斯座教授，1851年當選皇家學會會員，1854年起任學會書記，30年后被選為皇家學會會長。斯托克斯為繼牛頓之后任盧卡斯座教授、皇家學會書記、皇家學會會長這三項職務的第二個人。

57斯托克斯的主要貢獻是對粘性流體運動規(guī)律的研究。C.－L.-M.-H.納維從分子假設出發(fā)，將L.歐拉關于流體運動方程推廣，1821年獲得帶有一個反映粘性的常數(shù)的運動方程。1845年斯托克斯從改用連續(xù)統(tǒng)的力學模型和牛頓關于粘性流體的物理規(guī)律出發(fā)，給出粘性流體運動的基本方程組，其中含有兩個常數(shù)。這組方程后稱納維－斯托克斯方程，它是流體力學中最基本的方程組。58斯托克斯1851年提出球體在粘性流體中作較慢運動時受到的阻力的計算公式，指明阻力與流速和粘滯系數(shù)成比例，這是關于阻力的斯托克斯公式。斯托克斯發(fā)現(xiàn)流體表面波的非線性特征，其波速依賴于波幅，并首次用攝動方法處理了非線性波問題(1847)。

59

1852年

1855年達西（H.Darcy）建立了砂土滲流基本定律。60Daxi達西，H.-P.-G.Henri-Philibert-GaspardDarcy(1803～1858)

法國工程師。1803年6月10日生于法國第戎市,1858年1月3日卒于巴黎。1823年畢業(yè)于工業(yè)?？茖W校，后在第戎市工程局任技術員。1828年被任命為工程師。61達西一生曾負責過運河、鐵路、公路、橋梁、隧洞等各種土木工程的設計與建設工作。達西著重研究了沖積層中地下水的運動機理。1856年通過沙土滲透試驗,首先提出:通過試樣的流量與試樣橫斷面積及試樣兩端測壓管水頭差成正比，與試樣的高度成反比。國際上將此項滲透規(guī)律定名為達西定律.62為了滿足迅速發(fā)展的工程技術的需要，人們通過大量的試驗和實地觀測，得到了求解各種實際水力學問題的經(jīng)驗方法，有：0.3.3求解各種實際水力學問題的經(jīng)驗方法63

1769年

謝才（A.Chezy）總結了一系列渠道水流實測資料的基礎上,提出了計算明渠均勻流流速和流量的經(jīng)驗公式－謝才公式，以后又有確定謝才系數(shù)的滿寧公式（R.Mann-ing）,巴普洛甫斯基公式等。64

謝才，A.deAntoinedeChezy(1718～1798)

法國水利工程師。1718年生于馬恩河畔沙隆，1798年10月5日卒。在著名橋梁專家佩羅內(nèi)領導下，他參與了巴黎許多橋梁與街道的施工和驗收,并對法國的運河建設,尤其是連接塞納河和羅訥河流域的勃艮第運河進行了研究。他在水力學上的主要貢獻是提出了明渠均勻流的流速公式。651732年

畢托（H.Pitot）發(fā)明了量測水流流速的畢托管。畢托管：測量氣流總壓（見壓力）的一種裝置，是18世紀法國工程師H.皮托發(fā)明的。661797年

文丘里（G.BVenturi）創(chuàng)造了量測管道流量的文丘里管。

文丘里管：測量流體壓差的一種裝置，是意大利物理學家G.B.文丘里發(fā)明的，故名。文丘里管是先收縮而后逐漸擴大的管道。測出其入口截面和最小截面處的壓力差，用伯努利定理即可求出流量。670.3.4現(xiàn)代流體力學和現(xiàn)代水力學到19世紀末，雖然用分析法的流體動力學取得很大進展，但不易起到促進生產(chǎn)的作用。與流體動力學平行發(fā)展的是水力學（見液體動力學）。這是為了滿足生產(chǎn)和工程上的需要，從大量實驗中總結出一些經(jīng)驗公式來表達流動參量之間關系的經(jīng)驗科學。68使上述兩種途徑得到統(tǒng)一的是邊界層理論。它是由德國L.普朗特在1904年創(chuàng)立的。這一理論既明確了理想流體的適用范圍，又能計算物體運動時遇到的摩擦阻力。69隨著現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)和新技術的迅速發(fā)展，以純理論分析為基礎的古典流體力學，實驗為基礎的實驗水力學都不能滿足生產(chǎn)發(fā)展要求，逐漸形成了以理論和試驗研究結合的現(xiàn)代流體力學和現(xiàn)代水力學。701883年

雷諾(O.Renold)通過試驗發(fā)現(xiàn)了液流兩種流態(tài)－層流和紊流。1894年

又提出了紊流的基本方程－雷諾方程。

71Leinuo雷諾，O.OsborneReynolds(1842～1912)

英國力學家、物理學家和工程師。1842年8月23日生于北愛爾蘭的貝爾法斯,1912年2月21日卒。1867年畢業(yè)于劍橋大學王后學院。1868年出任曼徹斯特歐文學院的首席工程學教授。1877年當選為皇家學會會員。1888年獲皇家勛章。1905年因健康原因退休。他是一位杰出的實驗科學家。72雷諾于1883年發(fā)表了一篇經(jīng)典性論文，以實驗結果說明水流分為層流與紊流兩種形態(tài)，并提出以無量綱數(shù)Re（后稱為雷諾數(shù)）作為判別兩種流態(tài)的標準。他于1886年提出軸承的潤滑理論。

1895年在湍流中引入有關應力的概念。雷諾興趣廣泛，一生著述很多，其中近70篇論文都有很深遠的影響。這些論文的內(nèi)容包括力學、熱力學、電學、航空學、蒸汽機特性等。731891年

儒科夫斯基1905年

又提出了圓柱繞流的升力理論。首先建立了試驗風洞。

74

儒科夫斯基：俄國力學家。1847年1月17日生,1921年卒。

1868年畢業(yè)于莫斯科大學物理數(shù)學系。1