Алексей Жабров - Почему и как летает самолет [Изд. 2-е]

Рис. 7. Скорость самолета относительно окружающего его воздуха можно представить как скорость воздуха, набегающего на самолет.

Следовательно, явления, возникающие при движении тела в воздухе, можно изучать двумя способами: или двигая тело в неподвижном воздухе, или обдувая воздухом неподвижное тело.

Сейчас применяются оба способа, но второй более удобен и им чаще пользуются.

Раньше некоторые ученые считали второй способ ошибочным, но Н. Е. Жуковский показал его правильность. Этот способ очень удобен при опытах в так называемых аэродинамических трубах.

Аэродинамической трубой называется сооружение, которое позволяет создавать искусственный поток воздуха. Скорость воздушного потока, в зависимости от конструкции трубы, может быть очень большой. Простейшая аэродинамическая труба изображена на рис. 8.

Рис. 8. Схема аэродинамической трубы: 1 — решетка, спрямляющая воздушный поток, 2 — рабочая часть трубы, 3 — вентилятор, 4 — электромотор.

Вот как она устроена и работает. Оба конца трубы открыты, и в одном из них установлен большой вентилятор, вращаемый электромотором. При работе вентилятора в трубе создается воздушный поток. В самой узкой — рабочей— части трубы устанавливают для испытания модель самолета или крыла. Если воздушный поток «подкрасить» дымом, то через окно в трубе можно наблюдать, как воздух обтекает модель, и даже сфотографировать картину обтекания. С помощью специальных приборов можно измерять силы, возникающие при действии воздушного потока на модель.

В аэродинамической трубе, если вентилятор вращается равномерно, воздушный поток получается, как говорят, установившимся.

Если самолет летит с постоянной скоростью, то полет тоже называют установившимся.

Течение воздуха и силы, возникающие при действии воздушного потока на тела, изучает наука аэродинамика. Это родная сестра гидродинамики, изучающей, течение жидкостей («гидр» — вода). Важнейшие законы гидродинамики были сформулированы учеными Эйлером и Д. Бернулли — современниками Ломоносова. С развитием авиации выяснилось, что эти законы в общем справедливы и для воздуха, то есть являются и законами аэродинамики. Они вытекают из основных законов естествознания: сохраняемости массы и энергии.

Эйлер сформулировал закон неразрывности течения жидкости.

Посмотрите на рис. 9, а.

Рис. 9. С уменьшением площади сечения струи скорость течения воды или воздуха возрастает, а давление падает.

На нем изображена схема прибора, состоящего из открытого резервуара и соединенной с ним трубки, которая имеет разные сечения. Если открыть оба крана так, чтобы уровень воды в резервуаре оставался неизменным, то течение воды по трубке будет установившимся: в любом месте трубки вода ни накапливается, ни убывает (иначе где-то образовался бы разрыв течения). Поэтому за одну секунду из трубки вытекает столько же воды, сколько в нее притекает из резервуара. Значит, через разные сечения трубки (А, Б и В) за одну секунду протекает одинаковая масса воды. А это может быть, очевидно, только в том случае, если через эти сечения вода течет с различной скоростью. Чем меньше сечение, тем больше скорость воды. Иначе за одну секунду через узкое сечение «не успеет» пройти такая же масса воды, какая проходит за одну секунду через широкое сечение.

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] Кинетическая энергия — это энергия движения тела, например, энергия текучей воды, воздуха, падающего груза, раскручивающейся пружины и т. д. Потенциальная энергия — это энергия положения тела, например, энергия запруженной реки, сжатого газа, закрученной пружины и т. д. Кинетическая энергия тела может переходить в потенциальную и наоборот, но сумма их остается неизменной. . 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.