Как все летает?
Почему поднимается в воздух могучий лайнер, какие силы влекут сорвавшийся с ветки осенний лист — на эти вопросы отвечает аэродинамика — наука, изучающая законы взаимодействия воздуха с движущимися в нем телами. В этой статье мы рассмотрим те из них, без знания которых не обойтись авиамоделисту.
В школе вы, конечно, познакомились с такими понятиями, как атмосферное давление, восходящие и нисходящие воздушные потоки, плотность воздуха — словом, будем считать, что этот раздел физики, и аэродинамики в честности, вам известен.
Законы движения тел в воздухе изучают в специальных установках — аэродинамических трубах. Мы же воспользуемся обыкновенной речкой.
Пройдите вдоль берега небольшой речки. Плавно течет она по плесу. А вот в местах, где ширина или глубина ее становится меньше, течение заметно увеличивается. Почему? Объяснить просто. Русло, или, как принято говорить в технике, поперечное сечение речки, в рассматриваемых случаях разное. Вот и ускорила вода свой бег, чтобы течение ее осталось непрерывным, или, как говорят физики, неразрывным. Математически оно описывается уравнением, которое получило название уравнения неразрывности течения.
Но какое отношение маленькая речка имеет к аэродинамике? — спросите вы. Самое непосредственное — ведь движение и жидкости и газа (воздуха) подчиняется одному закону.
А теперь возьмите в каждую руку по листу плотной бумаги (листы предварительно немного изогните полукругом) и сильно подуйте между ними (рис. 1). Листы сближаются, а не расходятся.
Так же на первый взгляд необычно ведет себя свернутый трубкой лист бумаги, если подуть поверх него — он распрямится (рис. 2).
Явление, описанное в двух этих опытах, легко объяснить, если знать уравнение Бернулли. Оно выражает такую зависимость: при увеличении скорости потока (жидкости или газа) статическое давление в струе уменьшается и наоборот.
Теперь понятно, почему листы бумаги сближаются, а свернутый трубкой лист распрямляется?
Уравнение неразрывности течения и уравнение Бернулли позволяют понять многие явления, происходящие с моделью в воздушном пространстве, а главное — они объясняют возникновение аэродинамических сил.
Снова обратимся к опыту.
Возьмите в руки перед собой большой лист фанеры или картона и попробуйте пробежаться с ним. Вы почувствуете, как вас что-то тормозит. А происходит следующее. Струйки воздуха вынуждены расступаться перед препятствием. Разумеется, делают они это неохотно — перед листом образуется зона повышенного давления. Сзади же воздушные струйки не успевают сразу сомкнуться — там возникает разрежение, зона пониженного давления (рис. 3).
Точно так же действует воздух и на летящую модель. Сила, тормозящая полет модели, называется силой лобового сопротивления. От чего она зависит? Ответить на этот вопрос поможет все тот же лист фанеры. Поменяйте его положение на горизонтальное (рис. 4) и снова попробуйте пробежаться. Почувствовали, что теперь двигаться стало легче? Делаем вывод: лобовое сопротивление зависит от площади наибольшего поперечного сечения тела, или, говоря техническим языком, площади миделя. Модель, у которой этот показатель меньше, испытывает в воздухе меньшее сопротивление. Зависит оно и от формы модели (рис. 5 а, б). Плоское тело считается неудобо-обтекаемым предметом: вокруг него образуются завихрения, заметно снижающие летные качества. Понаблюдайте за падающей каплей воды. При падении под действием сопротивления воздуха она вытягивается, становится удобо-обтекаемой (рис. 6). Недаром каплеобразные формы так популярны у авиастроителей и моделистов. Сила лобового сопротивления аэродинамического удобо-обтекаемого профиля в 20— 25 раз меньше, чем у такого же профиля, но плоского. У конусообразного тела спектр обтекания совсем другой (рис. 6, справа).
Воздушные завихрения, лобовое сопротивление — все эти явления мешают моделям летать. А что же ей помогает? Подъемная сила — вот тот союзник, который поднимает в воздух и гигант самолет, и маленькую бумажную модель.
Познакомимся поближе, как возникает эта сила. А в помощники призовем все тот же фанерный лист.
Когда он располагался перпендикулярно воздушному потоку, струйки воздуха симметрично обтекали его со всех сторон. На лист, как мы выяснили, действовала только сила лобового сопротивления, направленная против движения.
Если же лист расположить под некоторым углом к воздушному потоку, картина перемещения воздушных струек изменится: обтекание станет несимметричным а значит (мы это уже знаем), скорость струек сверху и :низу листа будет неодинаковой: наверху она будет большей. Из уравнения Бернулли следует, что давление сверху листа будет меньше, чем снизу. В результате разности этих давлений и возникает некая аэродинамическая сила F2, действующая в отличие от силы лобового сопротивления под углом альфа к набегающему воздушному потоку (рис. 7 а, б). Называется он углом атаки и в аэродинамике считается одним из главных факторов.
Из курса физики вы знаете, что силу можно представить в виде вектора, ее можно разложить на две, действие которых равноценно действию одной силы.
По правилу параллелограмма разложим аэродинамическую силу F2 на составляющие: F1 — силу, направленную перпендикулярно потоку, и Fc — силу, действующую параллельно этому потоку. Первая в аэродинамике получила название подъемной силы, вторая — силы лобового сопротивления (с ней вы уже знакомы).
Снова предлагаем вам пробежаться с листом фанеры, поставив его под углом к воздушному потоку. На бегу вы почувствуете, как лист будет вырываться из рук, пытаясь взлететь. И чем с большей скоростью вы бежите, тем труднее удерживать лист.
Но подъемная сила может не только поднимать тело в воздух. На рисунке 8 мы показали различные варианты ее действия. Как видите, здесь она способна заставить тело не только взлетать, но и опускаться вниз.
Теперь рассмотрим, как действуют подъемная сила и сила сопротивления на крыло авиамодели.
И в большой авиации, и в авиамоделировании для постройки летательных аппаратов используют несимметричные профили (рис.9). Плавная выпуклость верхней и чуть заметная выпуклость (или наоборот — вогнутость) нижней поверхности крыла способствуют увеличению скорости воздушного потока над крылом и образованию там зоны пониженного давления. Воздушные струйки плавно обтекают такой профиль, поэтому подъемная сила у модели с несимметричным выпуклым (или выпукло-вогнутым) крылом больше, а сила лобового сопротивления меньше, чем у плоского крыла. (Отношение подъемной силы к силе лобового сопротивления в авиации принято называть аэродинамическим качеством.) Но и авиаконструкторы и авиамоделисты стремятся уменьшить силу лобового сопротивления, поэтому экспериментируют не только с различными профилями, но и с формой крыла (рис. 10).
Наибольшее аэродинамическое качество имеет крыло эллипсовидной (эллиптической) формы.
Вот коротко, что нужно знать об аэродинамике модели, прежде чем приступать к ее постройке.
В. АБРАМОВ
журнал “Юный техник”