Аэродинамическая-труба

Аэродинамическое сопротивление

Воздушный океан, повсеместно окружающий нашу планету, составляющий так называемую атмосферу, представляет собой механическую смесь газов в соста­ве: азота 78%, кислорода 21%, 1% аргона и других газов. Удельный вес воздуха, или вес 1 м его, при температуре +15° и атмосферном давлении 760 мм, равен 1,225 кг. Эта величина иначе называется ве­совой плотностью воздуха и обозначается γ =  1,225 кг/м³.

В аэродинамике обычно пользуются не весовой, а так называемой массовой плотностью воздуха.

Из механики известно, что плотность вещества равна удельному весу вещества, делённому на ускорение си­лы тяжести: ρ = γ/g.

plotnost_veshestva

Известно, что за стандартное давление в одну ат­мосферу принимают давление ртутного столба в 760 мм высоты на уровне моря при +15° С. С высо­той давление и температура меняются, следовательно, и массовая плотность воздуха — величина непостоян­ная, и она обычно при аэродинамических расчётах находится из соответствующих таблиц, в зависимости от давления, температуры и влажности.

Что же испытывают тела, помещённые в воздуш­ный поток или передвигающиеся с определённой ско­ростью в воздушной среде?

Если поместить в воздушный поток квадратную пластинку площадью в 1 м² так, чтобы её плоскость была перпендикулярна струям потока, то:

  1. при скорости потока (ветра) в 20 км/час пла­стинка будет испытывать силу давления, равную 25 кГ;
  2. при увеличении скорости потока вдвое, т. е. до 40 км/час, сила давления на пластинку увеличится до 100 кГ;
  3. при новом удвоении скорости потока до 80 км/час сила давления возрастает до 400 кГ.
Аэродинамическое сопротивление

Аэродинамическое сопротивление

Таким образом, видно, что величина давления воз­душного потока на пластинку, или величина сопротив­ления пластинки воздушному потоку (что то же самое по III закону Ньютона), прямо пропорциональна квадрату скорости.

Направленное перпендикулярно к телу давление воздушного или газового потока в аэродинамике на­зывается динамическим давлением, или, как говорят, скоростным напором, и определяется кинетической энергией движущегося газа. Пользуясь известной нам из механики формулой кинетической энергии: К = mv²/2 и заменив в ней массу тела «массовой плотностью га­за» (ρ), получим для скоростного напора (q) выраже­ние: q = pv²/2.

Величина силы аэродинамического сопротивления зависит от площади поперечного сечения тела, нахо­дящегося в потоке, а также от формы этого тела.

Таким образом, сила сопротивления, испытываемая телом в воздушном потоке, может быть выражена сле­дующей формулой:

Сила-сопротивления

где R— сила сопротивления в кГ;

С — коэффициент сопротивления, зависящий от формы тела (безразмерная величина);

ρ — плотность воздуха в —  кг • сек²/м4;

s—площадь наибольшего поперечного сечения тела, перпендикулярного потоку, иначе — площадь миделя в м²;

v — скорость движения в м/сек².

Тела различной геометрической формы и разной величины в воздушном потоке будут оказывать раз­личные сопротивления. Но можно изготовить различ­ные тела так, чтобы они оказывали одинаковое сопро­тивление. Так, телами равного сопротивления будут: чашечки диаметром 14,5 мм; круглые пластинки диа­метром 16,5 мм; цилиндр высотой 20 мм и диамет­ром 20 мм; конус, расположенный в потоке вершиной вперёд, с диаметром основания 25,5 мм и шарик диа­метром 37 мм.

Величина сопротивления также меняется и от сте­пени обработки (гладкости) поверхности обтекаемого предмета. Чем тщательнее отполировано тело, чем оно глаже, тем меньше трение о его поверхность частичек воздуха, тем меньше сопротивление. Так, например, автомобиль с ме­таллической крышей может развить скорость в 205 км/час, а такой же легковой автомо­биль типа кабриолет с брезентовой кры­шей может развить скорость не более 200 км/нас, несмотря на то, что у него такая же мощность мотора и такое же число седоков, а вес даже меньше. Причи­ной этой разницы является то, что обтекаемость вто­рого автомобиля хуже из-за неровной и шероховатой поверхности брезентовой крыши.

Другой пример:

  • Самолет-истребитель теряет в скорости 15— 18 км/час, если лётчик забыл закрыть козырёк;
  • теряет 8—10 км/час, если лётчик забыл убрать костыльное колесо;
  • теряет 45—50 км/час, если лётчик не устано­вил боковые створки капота радиатора по потоку.

Он теряет в скорости потому, что лётчик ухудшил обтекаемость своей машины, он увеличил её аэроди­намическое сопротивление.

Вот почему во всех видах современного транспорта такое большое внимание при конструировании и по­стройке уделяется внешней форме.

Посмотрим, как будут вести себя тела различной формы в воздушном потоке аэродинамической трубы.

Аэродинамическая труба — это прибор, создающий искусственный, по возможности выпрямленный, воз­душный поток. Первые аэродинамические трубы появились в конце прошлого столетия. Они были созданы и построены великими учёными К. Э. Циолковским и Н. Е. Жуковским. Эти учёные мировой известности явились основоположниками тео­ретической и экспериментальной аэродинамики.

Опыт 1.

Установим трубу вертикально, а на весах укрепим круглую пластинку так, чтобы она пришлась в центре потока и на расстоянии 12—15 см от края трубы (рис. 2).

Аэродинамическая труба

Аэродинамическая труба

Уравновесим весы и включим мотор. Воздушный поток, встретив на пути пластинку, поднимет её вверх. Не выключая потока, вновь уравновесим весы гирька­ми. После этого выключим мотор и подсчитаем, что для уравновешивания силы сопротивления круглой пластинки потребовалось М граммов.

Опыт 2.

Теперь проделаем такую же продувку с шаром то­го же миделя и узнаем, что его сопротивление оказа­лось М граммов.

Опыт 3.

И наконец, сделаем продувку каплеобразной фор­мы тела опять такого же миделя. Здесь сопротивление оказалось L граммов.

В этом опыте мы убедились, что при одной и той же скорости потока, при одном и том же миделе тела различной формы имеют весьма разные сопротивле­ния.

В чём же разница?

Разница в том, что коэффициент сопротивления (С) (форма тела) у различных тел разный, и он су­щественно меняет численную величину общего аэро­динамического сопротивления.

В этих случаях, когда тело встречает воздушный поток прямо «в лоб», т. е. ось симметрии тела рас­положена прямо по потоку, — сила сопротивления на­зывается силой лобового сопротивления и обозначает­ся буквой Q, коэффициент сопротивления — коэффи­циентом лобового сопротивления и обозначается бук­вой Сх.