6.6. РУХ ТЕЛ В РІДИНАХ І газах

Мал. 6.5. При русі тіла в рідині на нього діють сили

Ідеальна рідина є фізичною моделлю, що дозволяє зрозуміти суть явища в деякому наближенні. Всім реальним рідин властива в'язкість або внутрішнє тертя, що призводить до появи у них принципово нових властивостей. Зокрема, виникло в рідини рух після припинення дії причин, його викликали, поступово сповільнюється. Отже, рідина при своєму русі в трубі відчуває опір. Такого роду опір називають в'язким, підкреслюючи тим самим відміну від опору в твердих тілах. При русі тіла в такій рідини на нього діють сили. Рівнодіючу цих сил позначимо через . силу можна розкласти на дві складові (рис. 6.5): . силу називають лобовим опором, а - підйомної силою.

Якщо рідина має в'язкість, то дуже тонкий шар рідини прилипає до поверхні тіла і рухається з ним як одне ціле, захоплюючи за собою через тертя наступні шари. У міру віддалення від тіла швидкість зменшується, тобто тіло виявляється оточеним прикордонним шаром рідини, в якому швидкість змінюється в напрямку, перпендикулярному швидкості. У ньому діють сили тертя, які в кінцевому підсумку виявляються прикладеними до тіла і призводять до лобового опору. Крім того, через сил тертя потік відривається від поверхні тіла, в результаті чого позаду тіла виникають вихори. Вихори несуться потоком і поступово згасають внаслідок тертя. Тиск в утворюється за потоком вихровий області виявляється зниженим, тому результуюча сил тиску буде відмінна від нуля, що в свою чергу обумовлює лобове опір.

Мал. 6.6. Обтікання рідиною напівциліндра

Таким чином, лобове опір складається з опору тертя і опору тиску. При цьому опір тиску залежить від форми тіла. Співвідношення між опором тертя і опором тиску визначається властивостями рідини. Лобове опір в ідеальній рідині відсутній, в той час як підйомна сила може бути не дорівнює нулю.

Для виникнення підйомної сили в'язкість рідини не має істотного значення. Нехай ідеальною рідиною обтекается напівциліндр (рис. 6.6). Внаслідок повного обтікання лінії струму будуть симетричні щодо СД. Однак щодо прямої АВ картина буде несиметричною. Лінії струму згущуються поблизу точки С, тому тиск там буде менше, ніж поблизу точки Д, завдяки чому і виникає підйомна сила. Аналогічно підйомна сила виникає і в в'язкої рідини. Завдяки підйомній силі літають птахи і літаки. Розріз крила у них практично однаковий: за рахунок складної форми крила створюється різниця обтекающих його зверху і знизу повітряних потоків, що дозволяє тілу підніматися вгору (рис. 6.7). Крило в розрізі являє собою поєднання двох опуклих ліній, причому кривизна верхнього контуру більше, ніж кривизна нижнього, в результаті чого площа верхньої поверхні крила більше площі його нижньої поверхні. Саме ця малопомітна деталь конструкції і дозволяє літаку вагою в кілька сот тонн, розігнавшись, відірватися від злітної смуги. Щоб двом потокам зімкнуться за задньою кромкою крила, не утворюючи вакууму, повітря, що обтікає верхню поверхню крила, повинен рухатися швидше щодо літака, ніж повітря, що обтікає нижню поверхню, оскільки йому потрібно подолати більшу відстань. В результаті, під час набору літаком швидкості, зростає спрямована вгору різниця тисків, і на крила літака діє наростаюча у міру розгону підйомна сила. Як тільки вона починає перевищувати силу гравітаційного тяжіння літака до землі, літак піднімається в повітря. Ця ж сила утримує літак в горизонтальному польоті: на крейсерській швидкості підйомна сила врівноважує силу тяжіння.

Силою, яка підтримує літак в повітрі, є підйомна сила. Лобове опір відіграє при цьому шкідливу роль. Тому крил літака і фюзеляжу надають обтічну форму. Таку ж обтічну форму має тіло птаха, що летить, дельфіна, дельтаплана, що рухається з величезною швидкістю спортивного автомобіля.

приклади

Уявіть собі невеликий реактивний літак без крил, але з чотирма колесами. Приблизно так виглядає незвичайний автомобільчик Jetcar, виробництво якого налагоджує німецька фірма Jetcar Zukunftsfahrzeug GmbH

Тіло дельфіна має обтічну форму. Кривизна верхньої частини тулуба більше, ніж нижній

Так виглядає Citation X - найшвидший реактивний літак з числа «легких» бізнес-джетів. Він летить зі швидкістю трохи нижче швидкості звуку - понад 960 км / год

На малюнку зображені рожеві фламінго в польоті. Форма тіла і крил птаха забезпечують їм підйомну силу і малий лобовий опір в польоті

Дельтаплан повторює форму крила літака

Якщо поспостерігати за злетом літаків в аеропорту вашого міста, то можна помітити, що в різні дні літаки розганяються по злітно-посадковій смузі в протилежних напрямках і сідають на неї також те в одному, то в іншому напрямку. Вибір напрямку залежить від напрямку вітру. При русі назустріч вітру, швидкість літака відносно Землі складається зі швидкістю вітру щодо Землі. Тому при русі назустріч вітру швидкість відриву від землі, при якій підйомна сила починає перевищувати силу тяжіння, виявляється нижче, і літаку потрібна менша довжина розбігу або гальмування після посадки, тобто частина підйомної сили створюється за рахунок енергії зустрічного вітру. Це знижує ризик виходу за межі злітно-посадочної смуги і дозволяє економити пальне