Hüdraulika

Hüdraulika (kreeka sõnadest hÿdor 'vesi' + aulos 'toru, renn') on hüdromehaanika rakendusharu, mis käsitleb vedeliku tasakaalu (hüdrostaatika) ja liikumise (hüdrodünaamika) seaduspärasusi.. Tehnikas tähendab hüdraulika vedelike kasutamist jõu- ja energiaülekandeks.

Hüdraulikateadmisi on vaja paljudel insenerialadel, eriti muidugi nendel, mis on otseselt seotud vedelikega. Hüdraulikata ei saa aga läbi ka masinaehitajad, keemikud, ehitajad, toiduainetööstuse insenerid ja paljude teiste alade spetsialistid.

Hüdraulika ajalugu

Tabel hüdraulika ja hüdrostaatika kohta, ilmunud 1728. aastal Cyclopaedias

Hüdraulikasse puutuvaid teadmisi oli inimkonnal juba väga ammu. Kõik teadaolevad iidsed tsivilisatsioonid (Mesopotaamia, India, Hiina, Aafrika, Kesk Ameerika) arenesid suhteliselt kuivades piirkondades, mistõttu tuli osata vett koguda ja kasutuspaika juhtida. Veevarustuse ja kanalisatsiooni tase oli eriti kõrge Vana-Kreekas ja Rooma riigis.

Kõige varasem meieni jõudnud hüdraulikaalane teadustöö on Archimedese traktaat "Ujuvatest kehadest". Järgnenud seitsmeteistkümnest sajandist pole midagi teada ja 15. sajandil koostatud Leonardo da Vinci töögi "Vee liikumisest ja mõõtmistest" ilmus trükituna alles 1826. aastal. Leonardo da Vinci on tuntud eelkõige kunstnikuna, ometi oli ta silmapaistvate hüdraulika ja hüdrotehnikaga seotud ideede autor. Ta oli ka esimesi vee voolamise eksperimentaalseid uurijaid ja hüdrauliliste nähtuste modelleerijaid, kelle deviisiks oli: "Kui tegeled veega, siis alusta katsest, ning alles siis asu arutluste juurde".

Järgnesid Giovanni Battista Benedetti (1530–1590) tööd hüdraulilise pressi ja ühendatud anumate alal. Galileo Galilei (1564–1642), tõestas katseliselt Archimedese seaduse, tegeles sillaehitusega ning uuris voolamist avadest. Galilei õpilane Evangelista Torricelli (1608–1647) uuris jugade voolamist. Blaise Pascal (1623–1662) avastas hüdrostaatika põhiseaduse. Isaac Newton (1643–1727) uuris sisehõõret liikuvas vedelikus ning avastas dünaamilise sarnasuse kriteeriumi.

Neil kaugetel aegadel arenes hüdraulika empiiriliselt üksikvaldkondade kaupa. Hüdromehaanikale ja seega ka hüdraulikale kui süsteemsele teadusele panid 18. sajandil aluse šveitsi päritolu teadlased Daniel Bernoulli (1700–1782) ja Leonhard Euler (1707–1783), kes mõlemad töötasid pikemat aega (Euler kuni surmani) Peterburi Teaduste Akadeemias.

Teooria olemasolu kiirendas hüdraulika kui rakendusteaduse arengut. Daniel Bernoulli ja Leonhard Euleri järglastest on tuntuimad Antoine Chézy (1717–1798), kes uuris vedeliku ühtlast voolamist. Henry Darcy (1803–1858) uuris survekadu vedelike liikumisel. Henri Bazin (1829–1917) uuris vedelike ühtlast voolamist ning ülevoole. William Froude (1810–1879) iseloomustas vedeliku voolu energeetiliselt valemite abil. Osborne Reynolds (1842–1912) avastas 1883. aastalvedeliku voolurežiimid ning uuris hüdraulilist sarnasust. Nikolai Žukovski (1847–1921) töötas välja aerodünaamika ja hüdrodünaamika teoreetilised alused, uuris hüdrolööki ja vee liikumist pinnases. Boriss Bahmetov (1880–1951) uuris vooluhüpet, ebaühtlast voolamist, filtratsiooni jm. Bahmetovi õpilane Nikolai Pavlovski (1884–1937) uuris ühtlast ja ebaühtlast voolu, filtratsiooni läbi vesiehitiste. Ludwig Prandtl (1857–1953) pani aluse uuele etapile – turbulentse voolamise struktuuri ja seaduspärasuste süvauurimisele.

Eestis on hüdraulikaga tegeldud Tallinna Tehnikaülikoolis ja Eesti Põllumajandusülikoolis. Professor Uno Liivi juhtimisel on TTÜ-s kujunenud arvestatavaks teadussuunaks vedelike ebastatsionaarse voolamise uurimine.

Esimese eestikeelse hüdraulikakäsitluse "Tallinna Tehnikumi loengukonspekti" kirjutas August Velner (1884–1952) 1923. aastal. Sama mees pani ka aluse eestikeelsele hüdraulikaalasele terminoloogiale. Esimene algupärane raamat "Hüdraulika" ilmus Leo Tepaksi sulest 1967. aastal.

Veetõsteseadmete ja pumpade arengulugu

Veetõsteseadmete ja pumpade arengulugu ulatub kaugetesse aegadesse. Põlluharimine antiikmaailmas nõudis palju vett ning niisutuskanalite ehitamist. Selleks, et vett juhtida veevõtukohast tarbijani, oli tavaliselt vaja teda tõsta. Antiikaja leidurid konstrueerisid mitmesuguseid veetõstukeid, mille käitamiseks kasutati vee-, looma- või inimjõudu. Tänapäevani on kasutusel kopptõstukid, veetõsterattad ja Archimedese kruvi.

Esimese teadaoleva kolbpumba ehitas Roomas juba 190. aastal eKr Ktesibos. Esimene kõverate puitlabadega aksiaalpump arvatakse pärinevat 5. sajandist. Pump leiti 1772. aastal Portugalis San Domingo mahajäetud vasekaevandusest.

Leonardo da Vinci soovitas vee pumpamiseks kasutada veekeerist. Prantsuse hugenott, Marburgi Ülikooli professor Denis Papin (1647–1712) viis da Vinci idee ellu ning ehitas esimese tsentrifugaalpumba. Tsentrifugaalpumpade tootmist muide alustati alles Ameerikas 1818. aastal.

Astronoomina tuntud Johannes Kepler (1571–1630) projekteeris 1610. aastal esimese teadaoleva hammasrataspumba.

Kuulsamaid ja teadaolevaist suurim veetõsteseade oli aastail 1681–1688 Prantsuse päikesekuninga Louis XIV korraldusel Versailles' lossi purskkaevude ja veevärgi jaoks rajatud Marly masin. Viie kilomeetri pikkuses torustikus pumbati 200 m³ vett tunnis 163 meetri kõrgusele. Selleks kasutati 221 pumpa, mida käitas 13 8-meetrise läbimõõduga vesiratast. Seade hävis Prantsuse revolutsiooni päevil.

Leonhard Euler pani aluse labapumpade teooriale 1754. aastal ning viitas esimesena kavitatsiooni võimalikkusele.

Idee kasutada hüdraulilist lööki vee pumpamiseks pärineb Inglaselt John Whitehurstilt 1772. aastal. Vesioina leiutas 1796. aastal Joseph Montgolfier. Injektori võttis kasutusele 1858. aastal prantslane Giffard, kes kasutas seda vee pumpamiseks aurukatlasse.

Tänapäeval pole elu ilma pumpadeta mõeldav. Neid kasutatakse kõigis tööstusharudes kõikvõimalike vedelike ja segude pumpamiseks.

Vedelike füüsikalised omadused

 Pikemalt artiklis Vedelike füüsikalised omadused

Klassikaline hüdraulika tegeleb üksnes homogeensete nn. tilkvedelikega, mis moodustavad pideva võõristeta ja tühikuteta keskkonna.

Vedelike füüsikalised omadused, mis hüdraulikas tähtsust omavad, on järgmised:

• Tihedus
• Erikaal
• Viskoossus
• Soojuspaisumine
• Kokkusurutavus
• Küllastunud auru rõhk

Vedelikus mõjuvad jõud

Olenevalt toimimisviisist jagunevad vedelikus mõjuvad jõud massijõududeks ja pinnajõududeks.

Massijõud

Massijõud on jõud, mis mõjuvad kõigile vedelikuosakestele. Nendeks jõududeks on

• raskusjõud
• inertsijõud
• tsentripetaaljõud ehk pöörlemisega kaasnevad kesktõmbejõud
• tsentrifugaaljõud ehk kesktõukejõud.

Massijõud on võrdeline massiga $F_{m}=ma{\frac {}{}}$, kus a on kiirendus ja m mass. Jõu siht ühtib kiirenduse sihiga, kuid suund on vastupidine.

Massijõu massiühiku ja ruumalaühiku (kuna m=ρV) kohta nimetatakse massijõu intensiivsuseks vaadeldavas ruumipunktis o:

$a=\lim _{\Delta m\to 0}{\frac {\Delta F_{m}}{\Delta m}}=\lim _{\Delta V\to 0}{\frac {\Delta F_{m}}{\rho \Delta V}}$, kus $\Delta F_{m}{\frac {}{}}$ on massiühikule $\Delta m{\frac {}{}}$ (või ruumalaühikule $\Delta V{\frac {}{}}$) mõjuv elementaarjõud. Massijõu intensiivsusel on kiirenduse dimensioon.

Pinnajõud

Pinnajõud on jõud, mis mõjuvad vedeliku pinnale ning on võrdelised mõjupindalaga. Tähis F_A. Siia kuuluvad:

• rõhujõud, mis mõjuvad risti pinnaga. Tähis tavaliselt F_p
• hõõrdejõud, mis on viskoossusest põhjustatud piki pinda toimiv jõud. Tähis F_μ.

Pinnajõu suuna määrab seega selle pinna asend, millele jõud mõjub.

Pinnajõu pinnaühiku kohta ehk pinnajõu intensiivsus ehk pinge mingis vedelikupunktis on:

$\sigma =\lim _{\Delta A\to 0}{\frac {\Delta F_{A}}{\Delta A}}$, kus $\Delta F_{A}{\frac {}{}}$ on pinnaühikule $\Delta A{\frac {}{}}$ mõjuv elementaarjõud. Pinnajõu intensiivsus ehk pinge on lahutatav kaheks komponendiks:

• tangentsiaalpinge, mis mõjub piki pinda. Tähis τ;
• normaalpinge, mis mõjub pinnaga risti ning mida hüdromehaanikas kutsutakse rõhuks.

Vaata ka

• hüdraulika mõisteid
• pneumaatika