Детская энциклопедия

Меню сайта











Законы аэродинамики и обтекание крыла

Важнейшие физические законы — закон сохранения энергии и закон сохранения массы— играют существенную роль в аэродинамике.

В простейшем случае, когда воздух ведет себя как несжимаемая жидкость, эти законы выглядят сравнительно просто. Вся энергия жид­кости складывается из кинетической энергии, которая тем больше, чем больше скорость, и потенциальной, которая определяется стати­ческим давлением в воздухе. Этот закон, окон­чательно сформулированный швейцарцем Бер­нулли, указывает: если скорость жидкости рас­тет, то давление будет уменьшаться; если она уменьшается, давление увеличивается.

Закон сохранения массы говорит о том, что через любое поперечное сечение потока должно проходить в каждую секунду одно и то же ко­личество газа. Для несжимаемой жидкости закон этот прост: произведение площади попе­речного сечения потока на его скорость есть величина постоянная, т. е. чем меньше попереч­ное сечение потока, тем больше должна быть скорость. Этот закон наглядно проявляется в течении реки: она течет быстрее там, где ее русло мелкое или узкое. Следовательно, там, где скорость потока жидкости увеличивается, его поперечное сечение становится меньше, а по закону сохранения энергии уменьшается при этом и давление.

Когда скорость течения воздуха близка к числу М=1, уже нельзя пренебрегать сжи­маемостью, нужно учитывать, что всякий газ при уменьшении давления расширяется и стремится занять больший объем. При этом происходит борьба двух явлений: с одной стороны, увели­чение скорости требует сужения потока, а с другой,— это же увеличение скорости приводит к уменьшению давления воздуха, что требует уже расширения потока. Оказывается, при до­звуковых скоростях сильнее первое явление, а при сверхзвуковых — второе.

На рисунке 5 показано, что увеличение ско­рости при числе M<1 сопровождается суже­нием потока, самое узкое место потока — при скорости, равной скорости звука. Дальнейшее увеличение скорости расширяет поток.

Используя эти законы, можно объяснить обтекание крыла самолета. На рисунке 6 пока­заны траектории частиц воздуха, когда они об­текают поперечное сечение тел (профиль).

Профиль крыла как бы раздвигает поток, и отдельные струйки сужаются, причем особенно сильно в верхней передней части профиля. Но там, где струйки сужаются, скорость будет больше, а давление меньше. В результате дав­ление распределяется по профилю, как показа­но на рисунке 7. Суммарная подъемная сила направлена вверх и приложена приблизитель­но на 1/4 ширины профиля. Эта подъемная сила в основном получается благодаря разрежению воздуха над верхней частью крыла.

Когда воздух обтекает что-либо со сверхзву­ковой скоростью, в нем возникают скачкообраз­ные увеличения плотности и так называемые волны разрежения. Скачок уплотнения — это линия, перейдя которую скорость сверхзвуко­вого потока резко уменьшается, а давление, сле­довательно, возрастает. В реальных газах толщи­на этой линии соответствует всего лишь нескольким расстояниям, обычным между молекулами.

Волной разрежения называют линию, при переходе через которую скорость потока уве­личивается с одновременным уменьшением давления.

На рисунке 8 показано, как воздух обте­кает профиль крыла при сверхзвуковой ско­рости. В этом случае суммарная подъемная сила создается как разрежением воздуха над верхней поверхностью крыла, так и давлением на нижнюю поверхность. Приложена подъемная сила приблизительно в середине профиля.

Чем больше угол атаки, тем сильнее изме­няется скорость воздуха, обтекающего крыло, и тем больше подъемная сила. Но при углах атаки 10—20° (в зависимости от формы крыла и его профиля) плавное обтекание нарушается. На­ступает, как говорят, «срыв потока»: подъемная сила начинает уменьшаться, а сопротивление резко увеличивается.

Основное сопротивление при дозвуковых скоростях — это сопротивление тре­ния. Оно обусловлено тем, что молекулы воз­духа как бы прилипают к поверхности тела. При этом в очень узком слое около тела (его называют пограничным слоем) частицы воз­духа скользят относительно друг друга. А так как воздух обладает вязкостью, от этого скольжения частиц и создается сопротивление.

Со­противление трения тем меньше, чем более глад­ка поверхность тела. Его можно сделать еще меньше, если отсасывать воздух через мелкие отверстия внутрь тела. В некоторых конструк­циях самолетных крыльев такие отверстия при­меняются.

Если обтекание тела не проходит плавно, а при этом образуются вихри (подобно вих­рям за тупой кормой лодки), то это неизбежно увеличит сопротивление тела. Такое сопротив­ление называется вихревым. Чтобы умень­шить вихревое сопротивление, хвостовая часть тела должна быть плавной. Только при очень большой сверхзвуковой скорости (при числе М=5—6) форма задней части тела мало ска­зывается на величине его сопротивления воз­душному потоку.

Совсем другие причины вызывают волно­вое сопротивление. Оно возникает только при сверхзвуковых скоростях. Это сопротивление обусловлено потерями энергии, которая затра­чивается на образование скачков уплотнения. Волновое сопротивление тем меньше, чем тонь­ше тело и чем более остра его носовая часть. При сверхзвуковой скорости волновое сопро­тивление — это основная доля общего сопро­тивления.

Когда угол атаки возрастает, сопротивление увеличивается. Вспомним, что аэродинамиче­ское качество — это отношение подъемной силы к сопротивлению. При малых углах атаки подъ­емная сила близка к нулю. Поэтому и аэродина­мическое качество мало. При больших углах атаки, когда подъемная сила начинает ослабе­вать, а сопротивление сильно возрастает, аэро­динамическое качество тоже уменьшается. Зна­чит, аэродинамическое качество где-то имеет максимальное значение, обычно при углах атаки 3—5°.

Для дозвуковых самолетов выгодно приме­нять длинные узкие крылья, чтобы получить большую величину аэродинамического каче­ства. Такие крылья (рис. 9,а) прочны, конечно, только при достаточно большой толщине. А это значит, что при сверхзвуковых скоростях такие крылья непригодны — они оказывают слишком большое сопротивление полету.

Для сверхзвуковых самолетов крылья долж­ны быть тонкими и, следовательно, короткими (малого удлинения). Их обычно делают тре­угольными или стреловидными (см. рис. 9,в), что тоже уменьшает волновое сопротивление и увеличивает аэродинамическое качество.

Аэродинамическое качество сверхзвуковых самолетов пока еще в 2—3 раза меньше, чем дозвуковых. Повышение аэродинамического качества — одна из основных проблем аэроди­намики.





 
Календарь
«  Декабрь 2016  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728293031

Новые статьи
Каталог статей
Как подготовить ребенка к школе
Освоение навыков чтения
Природные материалы на уроках труда

Статистика




 
Адрес почты Вопросы по рекомендациям, размещению рекламы и обратных ссылок обращайтесь pochta@enciklopediya1.ru
2013 © 2016