工程力学ppt第0章

0序论10.1水力学的任务及任务0.2学习水力学的意义

0.3水力学的发展简史0序论20.1水力学定义及任务

研究

液体平衡机械运动规律

应用一门力学科学和技术基础课对象内容课程性质所属科学性质3

对象：液体，以水为代表，又如，石油等.研究

液体平衡机械运动规律

应用一门力学科学和技术基础课对象内容课程性质所属科学性质4内容：

（1）液体平衡和机械运动规律（宏观的，非微观的运动）

研究

液体平衡机械运动规律

应用一门力学科学和技术基础课对象内容课程性质所属科学性质5研究

液体平衡机械运动规律

应用一门力学科学和技术基础课对象内容课程性质所属科学性质（2）在工程（水利工程等领域）上应用（用水力学知识用于人类改造自然的活动）内容：

6内容：

（2）在工程（水利工程等领域）上应用（用水力学知识用于人类改造自然的活动）（1）液体平衡和机械运动规律（宏观的，非微观的运动）

7方法：

理论分析、数值计算和实验研究结合

理论分析：

数值计算：

实验研究：8

理论分析：

将普遍规律、公理，如：牛顿定律能量守恒原理、力系的平衡定律、动能定律动量定律等用于液体分析中，建立液体微分方程、积分方程，优化方程，结合边界条件、限定条件求解。9数值计算：

利用计算机技术，数值求解描述液体运动的微分方程、积分方程等，得到问题的数值解

10例如，水力学实验研究

实验研究：对有关问题进行物理模型实验其成果是检验水力学理论的唯一标准注：实验在在哲学上属于实践的范畴11课程性质技术基础课（介于基础课和专业课）12高等数学

微分（偏导数、导数）

积分（曲面积分、定积等）

泰勒展开式

势函数

微分方程

要求学过的课程有：13理论力学达朗贝尔原理能量守恒定律动能定律动量定律材料力学

变形概念

平行移轴定律

惯性矩

惯性积等140.1水力学的任务及任务

0.2学习水力学的意义

0.3水力学的发展简史0序论150.2学习水力学的意义以水利工程为例，说明水力学的广泛应用160.2学习水力学的意义液体对建筑物的作用力问题

当关闭闸门，水库蓄水时，为了计算闸门的强度、刚度、校核大坝的稳定性，必须考虑上下游水对大坝和闸门的作用力17液体对建筑物的作用力问题

管道水击调压井v0H0p0γAB18泄水建筑物的过流能力问题

当渲泄洪水时，必须确定校核大坝所能够通过流量，以确保大坝安全泄洪；或已知泄量，确定大坝的溢流宽度。19泄水建筑物的下游泄洪消能问题

由于大坝壅高水位，泄洪时，下游的水流的动能较大，会冲击河床，危及大坝的安全，因此，必须采取工程措施，消耗过大的动能，减轻对河床的冲刷。

20河渠水面曲线计算问题

21泄水建筑物的渗流问题

大坝建成后，水流会通过土壤、岩石中的缝隙渗流，对坝基产生作用力，同时产生渗透变形，会危及大坝的安全。22河流泥沙

例如：黄河上高含沙问题

23在水利机械中的应用水泵：叶片、转轮体型水轮机：叶片、转轮体型蜗壳：240.1水力学的任务及任务

0.2学习水力学的意义

0.3水力学的发展简史0序论250.3水力学的发展简史0.3.1古代中国水力学发展几千年来，水力学是人们在与水患作斗争发展生产的长期过程中形成和发展起来的。26相传四千多年前（公元前2070，夏左右）大禹治水。

他采用填堵筑堤,疏通导引方法，治理了黄河和长江。例如，《庄子·天下篇》所说，大禹“堙（yin）洪水，决江河，而通四夷九州”，治理了“名川三百，支川三千，小者无数”。27春秋战国末期（公元前221前左右）

秦国蜀郡太守李冰在岷江中游修建了都江堰，闻名世界的防洪灌溉工程，消除了岷江水患，灌溉了大片土地，使成都平原成为沃野两千年来，一直造福于人类。28图

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，把岷江水分为内江和外江，内江供灌溉，外江供分洪，这就控制了岷江急流，免除了水灾，灌溉了三百多万亩农田。说明当时对堰流理论有一定认识。

29

秦始皇二十八年(公元前219)修建的灵渠。中国沟通长江水系和珠江水系的古运河。又名陡河、兴安运河。在今广西壮族自治区兴安县境内。秦统一六国后，向岭南用兵，秦始皇派监郡御史禄凿灵渠运粮。它沟通了湘江和漓江，由于历代不断增修改进，技术逐步完善，作用日益增大，是2000余年来岭南（今广东广西）与中原地区的主要交通线路，直至粤汉铁路和湘桂铁路通车。30

灵渠渠首处用拦河坝壅高湘江水位，将其一股（今称南渠）通过穿越分水岭的人工渠道引入漓江上源支流，并对天然河道进行扩挖和整治后，入漓江；将另一股（今称北渠）另开新渠于湘江右岸入湘江。31

秦始皇元年（公元前246）韩国水工郑国主持兴建郑国渠，古代关中地区的大型引泾灌区，近代陕西泾惠渠的前身。由于泾水含有大量肥沃的淤泥,灌溉时还可改良盐碱地，故使产量提高。郑国渠的建成直接支持了秦国统一六国的战争。32大约与此同时，罗马人建成了大规模的供水管道系统。33公元1363年（元末）。

曾制造了一种计算时间的工具：铜壶滴漏。通过一系列铜壶的小孔时壶中的水位随时间变化规律来计算时间。可见，当时已认识到孔口出流和上游水位间存在一定的关系。34明朝张季训总结广大人们与黄河水患作斗争的丰富的经验，提出“塞旁决以挽正流，以堤束水，以水攻沙”,的治理黄河的措施。可见，当时对流速与过水断面成反比的连续方程一定量的水流能携带一定量的泥沙规律有一定认识。35清朝初年我国何梦瑶等人提出用过水断面面积乘以断面面积计算流量的方法。36我国人民很早就懂得利用水流的冲力带动水车、水磨等水利机械。37

0.3.2以纯理论分析为基础的古典流体力学公元前250年

诞生了水力学最早的理论，希腊哲学家阿基米德（Archimedes）在《论浮体》一文中首先提出了论述液体平衡规律的定律。38阿基米德Archimedes（约公元前287～前212）

古希腊科学家。生于西西里岛的叙拉古。父亲菲迪阿斯是天文学家。阿基米德曾到埃及的亚历山大，在欧几里得开办的数学学校学习。后从事数学、力学、机械的研究。

39阿基米德Archimedes（约公元前287～前212）阿基米德确立了静力学和流体静力学的基本原理。给出许多求几何图形重心，证明了浮力原理，后称阿基米德的原理。他还给出正抛物旋转体浮在液体中平衡稳定的判据等。40Da

Fenqi达·芬奇LeonardodaVinci(1452～1519)

意大利艺术家、科学家和工程师。文艺复兴时代的代表人物。1452年4月15日生于佛罗伦萨的芬奇镇,1519年5月2日卒于法国。对自然科学如数学、力学、水利、气象学、人体解剖、植物学、建筑学、机械学等都有很深造诣。41

达·芬奇在水文和水力学理论方面他最先对漩涡的流速分布、突然扩大断面和尾流漩涡、波浪传播和水跃等进行探讨或描述，成就远超过前人。他又提出水的连续定律,认识到明渠流的边界阻力,还首先提出关于流线形物体、降落伞、风速表、离心泵等设想。达·芬奇在水利方面的著作有《水的运动与测量》。42

1586年

斯蒂文（S.Stevin）发表了《水静力学》，把研究固体的方法用于静止液体中。43斯蒂文，S.SimonStevin(1548～1620)

荷兰科学家。1548年生于布鲁日（今比利时境内），1620年卒于海牙或莱顿。曾当过商人的伙计，在军队中任职。斯蒂文在数学上的贡献是他在1585年采用了十进位的小数记数方法。他对流体力学的贡献是关于液体平衡的论著《静力学原理》，1586年发表，1605年收入他的《数学文集》44

1653年

巴斯卡（B.Pascal）建立了平衡液体中压强传递的规律－巴斯卡定律，使水静力学理论得到进一步发展。45

帕斯卡

(1623～1662)

法国数学家、物理学家。1623年6月19日生于克莱蒙费朗，1662年8月19日卒于巴黎。帕斯卡在1653年提出液体能传递压力的定律，即帕斯卡定律，并利用这一原理制成水压机。国际单位制中压力单位帕以其姓氏命名。帕斯卡在数学方面的贡献主要是发现了二项式展开定律；他还是概率论的创立人之一。46

1643年

托里拆利（E.Torricelli）提出了液体孔口出流关系式。47托里拆利，E.EvangelistaTorricelli(1608～1647)

意大利物理学家、数学家。1608年10月15日生于法恩扎，1647年10月25日卒于佛罗伦萨。托里拆利是伽利略的学生及其晚年的助手（1641～1642），1642年继承伽利略任佛罗伦萨学院数学教授。托里拆利以发明气压计而闻名。1643年他提出了托里拆利公式。他还求得高次抛物线、摆线等曲线下的面积计算公式，对于微积分的发明起了先导作用。48

1686年

牛顿（Newton）提出了关于液体内摩擦的假定和粘滞性的概念，建立液体的内摩擦定律。49

1738年

伯努里（D.Bernoulli）建立了理想液体运动的能量方程－伯努里方程50

丹尼尔第一·伯努利(DanielBernoulli)

1700年生于荷兰格罗宁根，1782年卒于格罗宁根。1726～1733年在俄国彼得堡科学院主持数学部。后任植物学、解剖学、自然哲学教授。丹尼尔第一·伯努利以《水动力学，关于流体中力和运动的说明》(1738)一书著称于世，书中提出伯努利定理。丹尼尔第一的固体力学论著很多。他还考虑过不对称浮体在液面上的晃动方程。51

1775年

欧拉（L.Euler）建立了理想液体的运动方程－欧拉运动微分方程。52

欧拉，L.LeonhardEuler(1707～1783)

瑞士数学家、力学家。1707年4月15日生于瑞士，1783年9月18日卒于俄国彼得堡，是18世纪著述最多的数学家。他的著述涉及当时数学的各个领域，在力学各领域都有突出贡献。欧拉用两种方法来描述流体的运动，这两种方法通常称为欧拉表示法和拉格朗日表示法(1755和1759)描述流体速度场；奠定了理想流体的运动理论基础，给出反映质量守恒的连续性方程(1752)和反映动量变化规律的流体动力学方程(1755)。欧拉写有专著和论文800多种。

53

1843年

1845年

纳维尔（L.M.H.Navier）斯托克斯(G.G.Stokes)建立了实际液体的运动方程－纳维尔斯托克斯方程，奠定了古典流体力学的理论基础，使它成为力学的一个分支。但古典流体力学采用严格数学分析方法理论上比较严密但数学上求解困难或某些假设不能符合实际尚难求解大部分实际问题。54Nawei纳维，C.-L.-M.-H.Claude-Louis-Marie-HenriNavier(1785～1836)

法国力学家、工程师。1785年2月10日生于第戎，1836年8月21日卒于巴黎。少年时由他舅父、工程师E.-M.戈泰(1732～1807)照料。1802年进巴黎综合工科学校求学，1804年毕业后进桥梁公路学校求学，1806年毕业。1819年起在桥梁公路学校讲授应用力学，1830年起任教授。1824年被选为法国科学院院士。

55纳维的主要贡献是为流体力学和弹性力学建立了基本方程。1821年他推广了L.欧拉的流体运动方程，从而建立了流体平衡和运动的基本方程。方程中只含有一个粘性常数。1845年G.G.斯托克斯改进了他的流体力学运动方程，得到有两个粘性常数的粘性流体运动方程（后称纳维－斯托克斯方程）的直角坐标分量形式。56斯托克斯，G.G.GeorgeGabrielStokes(1819～1903)

英国力学家、数学家。1819年8月13日生于斯克林，1903年2月1日卒于剑桥。斯托克斯自1849年起在剑桥大学任卢卡斯座教授，1851年当选皇家学会会员，1854年起任学会书记，30年后被选为皇家学会会长。斯托克斯为继牛顿之后任卢卡斯座教授、皇家学会书记、皇家学会会长这三项职务的第二个人。

57斯托克斯的主要贡献是对粘性流体运动规律的研究。C.－L.-M.-H.纳维从分子假设出发，将L.欧拉关于流体运动方程推广，1821年获得带有一个反映粘性的常数的运动方程。1845年斯托克斯从改用连续统的力学模型和牛顿关于粘性流体的物理规律出发，给出粘性流体运动的基本方程组，其中含有两个常数。这组方程后称纳维－斯托克斯方程，它是流体力学中最基本的方程组。58斯托克斯1851年提出球体在粘性流体中作较慢运动时受到的阻力的计算公式，指明阻力与流速和粘滞系数成比例，这是关于阻力的斯托克斯公式。斯托克斯发现流体表面波的非线性特征，其波速依赖于波幅，并首次用摄动方法处理了非线性波问题(1847)。

59

1852年

1855年达西（H.Darcy）建立了砂土渗流基本定律。60Daxi达西，H.-P.-G.Henri-Philibert-GaspardDarcy(1803～1858)

法国工程师。1803年6月10日生于法国第戎市,1858年1月3日卒于巴黎。1823年毕业于工业专科学校，后在第戎市工程局任技术员。1828年被任命为工程师。61达西一生曾负责过运河、铁路、公路、桥梁、隧洞等各种土木工程的设计与建设工作。达西着重研究了冲积层中地下水的运动机理。1856年通过沙土渗透试验,首先提出:通过试样的流量与试样横断面积及试样两端测压管水头差成正比，与试样的高度成反比。国际上将此项渗透规律定名为达西定律.62为了满足迅速发展的工程技术的需要，人们通过大量的试验和实地观测，得到了求解各种实际水力学问题的经验方法，有：0.3.3求解各种实际水力学问题的经验方法63

1769年

谢才（A.Chezy）总结了一系列渠道水流实测资料的基础上,提出了计算明渠均匀流流速和流量的经验公式－谢才公式，以后又有确定谢才系数的满宁公式（R.Mann-ing）,巴普洛甫斯基公式等。64

谢才，A.deAntoinedeChezy(1718～1798)

法国水利工程师。1718年生于马恩河畔沙隆，1798年10月5日卒。在著名桥梁专家佩罗内领导下，他参与了巴黎许多桥梁与街道的施工和验收,并对法国的运河建设,尤其是连接塞纳河和罗讷河流域的勃艮第运河进行了研究。他在水力学上的主要贡献是提出了明渠均匀流的流速公式。651732年

毕托（H.Pitot）发明了量测水流流速的毕托管。毕托管：测量气流总压（见压力）的一种装置，是18世纪法国工程师H.皮托发明的。661797年

文丘里（G.BVenturi）创造了量测管道流量的文丘里管。

文丘里管：测量流体压差的一种装置，是意大利物理学家G.B.文丘里发明的，故名。文丘里管是先收缩而后逐渐扩大的管道。测出其入口截面和最小截面处的压力差，用伯努利定理即可求出流量。670.3.4现代流体力学和现代水力学到19世纪末，虽然用分析法的流体动力学取得很大进展，但不易起到促进生产的作用。与流体动力学平行发展的是水力学（见液体动力学）。这是为了满足生产和工程上的需要，从大量实验中总结出一些经验公式来表达流动参量之间关系的经验科学。68使上述两种途径得到统一的是边界层理论。它是由德国L.普朗特在1904年创立的。这一理论既明确了理想流体的适用范围，又能计算物体运动时遇到的摩擦阻力。69随着现代化工农业和新技术的迅速发展，以纯理论分析为基础的古典流体力学，实验为基础的实验水力学都不能满足生产发展要求，逐渐形成了以理论和试验研究结合的现代流体力学和现代水力学。701883年

雷诺(O.Renold)通过试验发现了液流两种流态－层流和紊流。1894年

又提出了紊流的基本方程－雷诺方程。

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

英国力学家、物理学家和工程师。1842年8月23日生于北爱尔兰的贝尔法斯,1912年2月21日卒。1867年毕业于剑桥大学王后学院。1868年出任曼彻斯特欧文学院的首席工程学教授。1877年当选为皇家学会会员。1888年获皇家勋章。1905年因健康原因退休。他是一位杰出的实验科学家。72雷诺于1883年发表了一篇经典性论文，以实验结果说明水流分为层流与紊流两种形态，并提出以无量纲数Re（后称为雷诺数）作为判别两种流态的标准。他于1886年提出轴承的润滑理论。

1895年在湍流中引入有关应力的概念。雷诺兴趣广泛，一生著述很多，其中近70篇论文都有很深远的影响。这些论文的内容包括力学、热力学、电学、航空学、蒸汽机特性等。731891年

儒科夫斯基1905年

又提出了圆柱绕流的升力理论。首先建立了试验风洞。

74

儒科夫斯基：俄国力学家。1847年1月17日生,1921年卒。

1868年毕业于莫斯科大学物理数学系。1