Thủy lực (từ tiếng Hy Lạp : Υδραυλική) là một công nghệ và khoa học ứng dụng sử dụng kỹ thuật , hóa học và các ngành khoa học khác liên quan đến tính chất cơ học và sử dụng chất lỏng . Ở mức rất cơ bản, thủy lực là chất lỏng đối trọng của khí nén , liên quan đến khí . Cơ học chất lỏng cung cấp nền tảng lý thuyết cho thủy lực học, trong đó tập trung vào kỹ thuật ứng dụng sử dụng các đặc tính của chất lỏng. Trong các ứng dụng năng lượng chất lỏng của nó , thủy lực được sử dụng để tạo, điều khiển và truyền tải năng lượng bằng cách sử dụng áp suất .chất lỏng. Các chủ đề về thủy lực nằm trong một số phần của khoa học và hầu hết các mô-đun kỹ thuật, đồng thời bao gồm các khái niệm như dòng chảy trong ống , thiết kế đập , chất lỏng và mạch điều khiển chất lỏng. Các nguyên tắc của thủy lực được sử dụng một cách tự nhiên trong cơ thể con người trong hệ thống mạch máu và mô cương cứng. Thủy lực bề mặt tự do là một nhánh của thủy lực xử lý dòng chảy bề mặt tự do , chẳng hạn như xảy ra ở sông , kênh , hồ , cửa sông và biển . Luồng kênh mở trường con của nó nghiên cứu luồng trong các kênh mở .
Từ "thủy lực" bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp ὑδραυλικός ( hydraulikos ) từ đó lại bắt nguồn từ ὕδωρ ( hydor , tiếng Hy Lạp có nghĩa là nước ) và αὐλός ( aulos , nghĩa là đường ống ).
.svg.png)
Lịch sử hình thành
Thời đại cổ đại và trung cổ
Cối xoay nước
Việc sử dụng năng lượng nước sớm bắt nguồn từ Lưỡng Hà và Ai Cập cổ đại , nơi mà việc tưới tiêu đã được sử dụng từ thiên niên kỷ thứ 6 trước Công nguyên và đồng hồ nước đã được sử dụng từ đầu thiên niên kỷ thứ 2 trước Công nguyên. Những ví dụ ban đầu khác về năng lượng nước bao gồm hệ thống Qanat ở Ba Tư cổ đại và hệ thống nước Turpan ở Trung Á cổ đại.
Đế quốc Ba Tư
Ở Đế quốc Ba Tư , người Ba Tư đã xây dựng một hệ thống phức tạp bao gồm các nhà máy nước, kênh đào và đập được gọi là Hệ thống Thủy lực Lịch sử Shushtar . Dự án, bắt đầu bởi vua Achaemenid Darius Đại đế và hoàn thành bởi một nhóm kỹ sư La Mã bị vua Sassanian Shapur I bắt giữ , đã được UNESCO gọi là "kiệt tác của thiên tài sáng tạo". Họ cũng là những người phát minh ra Qanat, một cống dẫn nước dưới lòng đất. Một số khu vườn cổ xưa, rộng lớn của Iran đã được tưới tiêu nhờ Qanats.
Bằng chứng sớm nhất về bánh xe nước và cối xay nước có từ thời Cận Đông cổ đại vào thế kỷ thứ 4 trước Công nguyên, cụ thể là ở Đế quốc Ba Tư trước năm 350 trước Công nguyên, ở các vùng Iraq , Iran , và Ai Cập .
Trung Quốc
Ở Trung Quốc cổ đại có Sunshu Ao (thế kỷ thứ 6 trước Công nguyên), Tây Môn Bảo (thế kỷ thứ 5 trước Công nguyên), Du Shi (khoảng năm 31 sau Công nguyên), Zhang Heng (78 – 139 sau Công nguyên) và Ma Jun (200 – 265 sau Công nguyên), trong khi thời trung cổ Trung Quốc có Su Song (1020 – 1101 sau Công nguyên) và Shen Kuo (1031–1095). Du Shi sử dụng guồng nước để cung cấp năng lượng cho ống bễ của lò cao sản xuất gang . Zhang Heng là người đầu tiên sử dụng thủy lực để cung cấp động lực quay một quả cầu hỗn hợp để quan sát thiên văn .
Hào và vườn ở Sigiriya
Ở Sri Lanka cổ đại, thủy lực được sử dụng rộng rãi ở các vương quốc cổ đại Anuradhapura và Polonnaruwa . [13] Việc phát hiện ra nguyên tắc của tháp van, hay hố van, (Bisokotuwa trong tiếng Sinhalese) để điều chỉnh sự thoát nước được cho là nhờ sự khéo léo hơn 2.000 năm trước. [14] Đến thế kỷ thứ nhất sau Công nguyên, một số công trình thủy lợi quy mô lớn đã được hoàn thành. [15] Các hệ thống thủy lực vĩ mô và vi mô để cung cấp cho nhu cầu làm vườn và nông nghiệp trong nước, thoát nước bề mặt và kiểm soát xói mòn, các dòng nước trang trí và giải trí cũng như các cấu trúc chắn và cả hệ thống làm mát đã được triển khai tại Sigiriya, Sri Lanka . San hô trên tảng đá lớn tại địa điểm bao gồmbể chứa để thu thập nước. Các hồ chứa cổ lớn của Sri Lanka là Kalawewa (Vua Dhatusena), Parakrama Samudra (Vua Parakrama Bahu), Tisa Wewa (Vua Dutugamunu), Minneriya (Vua Mahasen)
Thế giới Hy Lạp-La Mã
Ở Hy Lạp cổ đại , người Hy Lạp đã xây dựng các hệ thống thủy lực và nước phức tạp. Một ví dụ là việc xây dựng kênh dẫn nước cho Samos , Đường hầm Eupalinos, theo một hợp đồng công của Eupalinos . Một ví dụ ban đầu về việc sử dụng bánh xe thủy lực, có lẽ là sớm nhất ở châu Âu, là bánh xe Perachora (thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên).
Ở Hy Lạp-La Mã Ai Cập , việc chế tạo máy tự động thủy lực đầu tiên của Ctesibius (phát triển mạnh vào khoảng năm 270 trước Công nguyên) và Anh hùng của Alexandria (khoảng năm 10 – 80 sau Công nguyên) là rất đáng chú ý. Anh hùng mô tả một số máy móc hoạt động sử dụng năng lượng thủy lực, chẳng hạn như máy bơm lực , được biết đến từ nhiều địa điểm La Mã là đã được sử dụng để nâng nước và trong xe cứu hỏa.
Aqueduct of Segovia , kiệt tác thế kỷ 1 sau Công nguyên
Ở Đế chế La Mã , các ứng dụng thủy lực khác nhau đã được phát triển, bao gồm nguồn cung cấp nước công cộng, vô số cống dẫn nước , năng lượng sử dụng cối xay nước và khai thác thủy lực . Họ là một trong số những người đầu tiên sử dụng xi phông để dẫn nước qua các thung lũng, và sử dụng công nghệ che giấu trên quy mô lớn để tìm kiếm và sau đó khai thác quặng kim loại . Họ đã sử dụng chì rộng rãi trong các hệ thống đường ống dẫn nước để cung cấp trong nước và công cộng, chẳng hạn như nhiệt điện cho ăn . [ cần dẫn nguồn ]
Khai thác thủy lực được sử dụng trong các mỏ vàng ở miền bắc Tây Ban Nha, nơi đã bị chinh phục bởi Augustus vào năm 25 trước Công nguyên. Mỏ vàng phù sa Las Medulas là một trong những mỏ lớn nhất của họ. Ít nhất bảy cống dẫn nước dài đã làm việc với nó, và các dòng nước được sử dụng để làm xói mòn các lớp trầm tích mềm, sau đó rửa sạch chất thải để lấy hàm lượng vàng có giá trị. [18] [19]
Thế giới Ả Rập-Hồi giáo
Trong thế giới Hồi giáo trong Thời kỳ Hoàng kim Hồi giáo và Cách mạng Nông nghiệp Ả Rập (thế kỷ 8-13), các kỹ sư đã sử dụng rộng rãi thủy điện cũng như sử dụng sớm năng lượng thủy triều , [20] và các tổ hợp nhà máy thủy lực lớn . [21] Một loạt các nhà máy công nghiệp chạy bằng sức nước đã được sử dụng trong thế giới Hồi giáo, bao gồm các nhà máy đóng gói , nhà máy xay lúa mì , nhà máy giấy , nhà máy vỏ tàu , nhà máy cưa , nhà máy đóng tàu , nhà máy tem , nhà máy thép , nhà máy đường , vànhà máy thủy triều . Đến thế kỷ 11, mọi tỉnh trên khắp thế giới Hồi giáo đều có những nhà máy công nghiệp này đang hoạt động, từ Al-Andalus và Bắc Phi đến Trung Đông và Trung Á . [22] Các kỹ sư Hồi giáo cũng sử dụng tua-bin nước , sử dụng bánh răng trong cối xay nước và máy nâng nước, đồng thời đi tiên phong trong việc sử dụng đập làm nguồn năng lượng nước, được sử dụng để cung cấp thêm năng lượng cho cối xay nước và máy nâng nước.
Al-Jazari (1136–1206) đã mô tả các thiết kế cho 50 thiết bị, nhiều thiết bị chạy bằng sức nước, trong cuốn sách của ông, Cuốn sách Kiến thức về các Thiết bị Cơ học Khéo léo , bao gồm đồng hồ nước, thiết bị phục vụ rượu và năm thiết bị nâng nước từ sông hoặc hồ bơi. Chúng bao gồm một dây đai vô tận có gắn bình và một thiết bị chuyển động qua lại có van bản lề.
Các máy lập trình sớm nhất là các thiết bị chạy bằng nước được phát triển trong thế giới Hồi giáo. Một trình sắp xếp âm nhạc , một nhạc cụ có thể lập trình , là loại máy có thể lập trình sớm nhất. Trình sắp xếp âm nhạc đầu tiên là một máy thổi sáo chạy bằng nước tự động được phát minh bởi anh em Banu Musa , được mô tả trong Sách về các thiết bị khéo léo của họ vào thế kỷ thứ 9. [25] [26] Năm 1206, Al-Jazari đã phát minh ra máy tự động/ người máy có thể lập trình chạy bằng nước . Ông mô tả bốn nhạc công tự động , bao gồm cả những tay trống được vận hành bởi một máy đánh trống có thể lập trình được., nơi chúng có thể được tạo ra để chơi các nhịp điệu khác nhau và các mẫu trống khác nhau. [27] Đồng hồ lâu đài , đồng hồ thiên văn cơ học chạy bằng thủy lực do Al-Jazari phát minh, là máy tính analog có thể lập trình đầu tiên .
Thời kỳ hiện đại (khoảng 1600–1870)
Benedetto Castelli
Năm 1619, Benedetto Castelli , một học trò của Galileo Galilei , đã xuất bản cuốn sách Della Misura dell'Acque Correnti hay "Đo lường dòng nước chảy", một trong những nền tảng của thủy động lực học hiện đại. Ông phục vụ với tư cách là cố vấn chính cho Giáo hoàng về các dự án thủy lợi, tức là quản lý các con sông ở các Quốc gia thuộc Giáo hoàng, bắt đầu từ năm 1626. [31]
Blaise Pascal
Blaise Pascal (1623–1662) nghiên cứu thủy động lực học và thủy tĩnh học chất lỏng, tập trung vào các nguyên tắc của chất lỏng thủy lực. Khám phá của ông về lý thuyết đằng sau thủy lực đã dẫn đến việc ông phát minh ra máy ép thủy lực , giúp nhân một lực nhỏ hơn tác động lên một diện tích nhỏ hơn thành tác dụng của một lực lớn hơn tổng cộng trên một diện tích lớn hơn, được truyền qua cùng một áp suất (hoặc sự thay đổi chính xác của áp suất ) tại cả hai địa điểm. định luật Pascalhoặc nguyên tắc phát biểu rằng đối với chất lỏng không nén được ở trạng thái nghỉ, chênh lệch áp suất tỷ lệ thuận với chênh lệch độ cao và chênh lệch này vẫn giữ nguyên cho dù áp suất chung của chất lỏng có bị thay đổi hay không khi tác dụng ngoại lực. Điều này ngụ ý rằng bằng cách tăng áp suất tại bất kỳ điểm nào trong chất lỏng bị hạn chế, sẽ có sự gia tăng như nhau ở mọi đầu kia trong bình chứa, tức là bất kỳ thay đổi nào về áp suất được áp dụng tại bất kỳ điểm nào của chất lỏng đều được truyền không giảm trong chất lỏng.
Jean Léonard Marie Poiseuille
Một bác sĩ người Pháp, Poiseuille (1797–1869) đã nghiên cứu dòng chảy của máu trong cơ thể và phát hiện ra một quy luật quan trọng chi phối tốc độ dòng chảy với đường kính của ống mà dòng chảy xảy ra.
Ở Vương quốc Anh
Một số thành phố đã phát triển mạng lưới điện thủy lực trên toàn thành phố vào thế kỷ 19, để vận hành các máy móc như thang máy, cần cẩu, capstans và những thứ tương tự. Joseph Bramah [33] (1748–1814) là một nhà đổi mới sớm và William Armstrong [34] (1810–1900) đã hoàn thiện thiết bị cung cấp năng lượng ở quy mô công nghiệp. Tại Luân Đôn, Công ty Thủy lực Luân Đôn [35] là nhà cung cấp chính các đường ống phục vụ phần lớn West End của Luân Đôn , Thành phố và Bến tàu , nhưng có những kế hoạch chỉ giới hạn ở các doanh nghiệp đơn lẻ như bến cảng và bãi hàng hóa đường sắt .
Mô hình thủy lực
Sau khi học sinh hiểu các nguyên tắc cơ bản của thủy lực, một số giáo viên sử dụng phép loại suy thủy lực để giúp học sinh học những thứ khác. Ví dụ:
Máy tính MONIAC sử dụng nước chảy qua các bộ phận thủy lực để giúp học sinh học về kinh tế.
Tương tự nhiệt-thủy lực sử dụng các nguyên tắc thủy lực để giúp học sinh tìm hiểu về các mạch nhiệt.
Phép loại suy điện tử –thủy lực sử dụng các nguyên tắc thủy lực để giúp học sinh tìm hiểu về điện tử.
Việc bảo toàn yêu cầu về khối lượng kết hợp với khả năng nén của chất lỏng tạo ra mối quan hệ cơ bản giữa áp suất, lưu lượng chất lỏng và sự giãn nở thể tích, như hình dưới đây:
Giả sử chất lỏng không thể nén được hoặc tỷ lệ khả năng nén "rất lớn" so với thể tích chất lỏng chứa trong đó, tốc độ tăng áp suất hữu hạn đòi hỏi bất kỳ dòng chảy ròng nào vào thể tích chất lỏng được thu thập đều tạo ra sự thay đổi thể tích.
