Почему и как летает самолет (Изд. 2-е), стр. 4

В этом и состоит закон неразрывности течения жидкости. В справедливости его можно убедиться, наблюдая течение реки. Там, где ее русло суживается и мелеет, вода течет всегда быстрее.

Этот закон справедлив и для течения воздуха, когда скорость не превышает 400–500 км/час и воздух можно считать несжимаемым.

Теперь познакомимся со вторым важнейшим законом аэрогидродинамики, который был сформулирован ученым Бернулли. Воспользуемся опять же прибором, который изображен на рис. 9, а.

Вы видите, что к трубке переменного сечения присоединены вертикальные трубочки с открытыми концами. Эти трубочки играют роль манометров. Когда краны закрыты и вода не течет по трубке, то в манометрах она стоит на том же уровне, что и в резервуаре (как во всяких сообщающихся сосудах). Но как только вода потечет по трубке, уровень воды в манометрах понизится.

Это доказывает, что если вода течет, то давление ее на стенки трубки меньше, чем когда она находится в покое. Кроме того, оказывается, что уровень воды больше всего понизится в том манометре, который присоединен к самому узкому сечению, а меньше всего — в манометре, присоединенном к самому широкому сечению.

Таким образом, когда скорость воды, то есть ее кинетическая энергия, увеличивается, давление в струе (потенциальная энергия) уменьшается [8]. В этом и заключается смысл закона Бернулли.

То же самое можно наблюдать и при течении воздуха по трубке переменного сечения (рис. 9, б). Манометры и здесь покажут, что давление уменьшается при сужении струи, то есть при увеличении скорости течения воздуха.

В справедливости закона Бернулли легко убедиться и на более простом опыте.

Возьмите два листа писчей бумаги, держа их параллельно (рис. 10, а), дуньте в промежуток между ними.

Рис. 10. Если дуть в промежуток между двумя листами бумаги, то они сблизятся, так как давление в струе меньше, чем с внешних сторон листов.

Казалось бы, что струя воздуха подействует как клин и поэтому листы разойдутся. Произойдет же как раз обратное: листы сблизятся (рис. 10, б). Дело в том, что с внешних сторон давление воздуха на листы равно атмосферному, в промежутке же между ними — в струе воздуха — давление будет немного меньше атмосферного; разность давлений и заставляет листы сближаться.

Теперь, когда вы познакомились с важнейшими законами аэродинамики, вы поймете возникновение аэродинамических сил и, в частности, подъемной силы крыла, поддерживающей самолет в воздухе.

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ

На самолет в полете действуют аэродинамические силы. Покажем сначала на простых примерах, как они возникают.

Прежде всего, что такое аэродинамическая сила?

Когда при полном безветрии вы быстро едете на велосипеде, встречный воздух стремится затормозить ваше движение. А если вы стоите неподвижно и на вас дует сильный ветер, то воздух стремится сдвинуть вас с места. В обоих случаях это воздействие воздушного потока на тело и называют аэродинамической силой, или силой сопротивления воздуха.

Аэродинамическая сила получается тем большей, чем больше поперечные размеры тела и плотность воздуха, и особенно сильно она возрастает с увеличением скорости движения (или скорости потока). Кроме того, величина аэродинамической силы зависит еще от формы тела и от положения его в воздушном потоке. То и другое имеет огромное значение для полета.

Как же возникает аэродинамическая сила?

На рис. 11, а изображена схема обтекания воздухом круглой пластины (диска), поставленной перпендикулярно к потоку. Посмотрите на нее внимательно.

Рис. 11. Возникновение аэродинамической силы Р при симметричном обтекании: а) пластины и б) хорошо обтекаемого тела.

Струйки воздуха давят на пластину, так как она является для них препятствием. Перед пластиной получается повышенное давление (обозначено знаками плюс).

Огибая пластину, струйки сжимаются и поэтому, согласно закону неразрывности, скорость их возрастает. В силу инерции они стремятся двигаться прямолинейно и отрываются от пластины. По этой причине позади нее получается разрежение, то есть пониженное давление воздуха (обозначено знаками минус). Некоторые струйки врываются в это разреженное пространство и образуют вихри, которые потом постепенно исчезают.

Таким образом, впереди пластины давление воздуха повышено, а позади нее понижено. К чему это ведет?

Представьте себе, что вы давите на полуоткрытую дверь, а ваш товарищ давит на нее с другой стороны. Если вы сильнее, то под действием разности давлений дверь откроется в сторону вашего товарища. Так и здесь. Разность давлений впереди и позади пластины создает силу, направленную в сторону меньшего давления (мы будем обозначать ее русской буквой Р) [9]. Если пластина неподвижна, то эта аэродинамическая сила будет стремиться сорвать пластину и унести ее. Если же пластина движется, то эта сила будет тормозить движение.

Сопротивление воздуха, как было сказано, сильно зависит еще от формы тела. Какая же форма будет наиболее выгодной?

Снабдим нашу круглую пластину спереди тупой конусообразной наставкой, а сзади — более заостренным конусом (рис. 11, б). При такой форме срыв струй отсутствует, вихрей позади тела почти нет, разность давлений воздуха впереди и позади тела незначительна. По сравнению с пластиной сопротивление такого тела примерно в 25 раз меньше, и создается оно главным образом лишь трением воздуха о его поверхность.

При такой форме воздушный поток почти не тормозится телом, он течет вдоль его гладких боков и хорошо обтекает заостренную заднюю часть. Поэтому такие формы получили название хорошо обтекаемых.

Мы познакомились с обтеканием тел симметричной формы, когда воздух течет параллельно оси симметрии тела [10]. В таких случаях воздух обтекает тело тоже симметрично и разность давлений получается только впереди и позади тела, а не по бокам его. Эта разность давлений, а также трение воздуха о поверхность тела и создают силу, направленную прямо против движения, как говорят, «в лоб» (рис. 11). Поэтому в таких случаях аэродинамическую силу называют силой лобового сопротивления.

Таким образом, лобовое сопротивление складывается из сопротивления давления и сопротивления трения.

Вот как возникает сопротивление трения.

Всем известно поверхностное трение между твердыми телами. Существует еще внутреннее трение между соседними слоями жидкости или газа, называемое вязкостью. Например, если опустить в воду палец, а затем вынуть его, то к нему прилипнет немного воды. Но если проделать то же самое с маслом или глицерином, то к пальцу прилипнет много жидкости — тем больше, чем больше ее вязкость.

Вязкость воздуха наблюдать труднее. Однако известно, что через форточку, затянутую марлей, воздух проходит заметно хуже, чем без марли. Это в значительной мере объясняется вязкостью воздуха.

Когда воздушный поток обтекает тело, воздух непосредственно около самого тела не скользит по его поверхности, а прилипает к ней. Прилипший тончайший слой тормозит движение соседнего, этот — следующего и т. д., и лишь на некотором расстоянии от поверхности тела это явление прекращается. Слой, в котором проявляются силы внутреннего трения, называют пограничным (он граничит с поверхностью тела).

Чтобы уменьшить силы внутреннего трения в пограничном слое, крыльям и фюзеляжу самолета придают хорошо обтекаемую форму и полируют их поверхность.

Итак, лобовая аэродинамическая сила только тормозит движение тела. Посмотрим теперь, как возникает сила, нужная для полета.