Подъемная сила и сопротивление

Аэродинамика занимается законами движения воздуха. Зная эти законы можно найти ответ на вопросы, почему самолет летает и не падает как камень на землю.

 

lift - Подъемная сила и сопротивление

Принцип работы крыла

Перед взлетом, самолет мчится с возрастающей скоростью по взлетной полосе аэродрома. И только по достижению определенной скорости он отрывается от земли. Если мы хотим узнать, по какому принципу происходит этот отрыв от земли и соответственно поднятие самолета в воздух, то для этого нам нужно познакомиться с научными выводами итальянского физика Бернулли. Один из сформулированных им законов гласит: в стационарном потоке сумма давления спокойного воздуха (статическое давление) и скоростного напора (динамическое давление) всегда остается неизменной. Для того чтобы это понять, давайте сперва рассмотрим сосуд с водой. Жидкость давит на стены и дно сосуда. Это давление обозначается как статическое или динамическое. Как только вода начинает выливаться, то на сливе возникает динамическое давление, которое отбирает свою энергию у статического давления. Статическое давление при этом уменьшается на величину динамического давления.

Давайте рассмотрим следующий пример: в суживающуюся трубу вливается вода. Через каждый участок трубы, за каждый промежуток времени протекает одинаковое количество жидкости. Если за определенную единицу времени через суженный участок трубы протекает такое же количество воды, как и через широкий, то на узком отрезке скорость течения воды должна быть быстрее. Но этой более высокой скорости соответствует более низкое внутреннее (статическое) давление.

Типичные явления для аэродинамики

Экспериментально это можно было бы легко доказать. Благодаря этим научными сведениями можно легко объяснить некоторые явления из нашей окружающей среды. Воздушный поток является причиной того, что при открытой двери захлопывается окно. Статическое давление (давление спокойного воздуха) потока воздуха на одной стороне двери – меньше, чем действующее давление воздуха на другой стороне. Во время полета, движение крыла направлено против воздуха, вследствие чего возникает его обтекание воздушным потоком. Благодаря выпуклой форме профиля крыла, увеличивается скорость потока частиц воздуха на верхней поверхности профиля. Мы знаем, что более высокая скорость воздушного потока связана с малым статическим давлением, а низкая скорость создает более высокое статическое давление. Таким образом, на верхней поверхности крыла создается меньшее статическое давление, чем под ним. Как следствие эта появляющаяся сила засасывания к верху, которой способствует давление снизу и позволяет установить подъемную силу, которую можно измерить. Приблизительно можно сказать, что подъемная сила на профиле крыла на две третьих состоит из силы засасывания на верхней поверхности крыла и на одну третью из давления на нижней поверхности крыла.

Аэродинамические процессы

С помощью специально изготовленных крыльев, у которых на верхней и нижней поверхности, на разных местах были установлены манометры, появилась возможность составить точную картину о соотношении давлений омываемого потоком воздуха профиля. Рисунок 2 отображает точное распределение сил вокруг всего профиля.

Во времена после 1918 года авиаконструкторы размышляли над следующим вопросом: так как более высокая скорость обтекающего потока дает более высокую силу засасывания и тем самым интенсивнее подъемную силу, то для этого всего лишь необходимо увеличить изгиб профиля крыла. Этим нововведением они достигли того, что новые типы самолетов могут перевозить тяжелые грузы. Несмотря на улучшенные характеристики двигателя, соответствующие увеличения скорости так и не были достигнуты.

Для нас совершенно очевидно, что большее по размерам тело (здесь профиль крыла), соответственно, должно преодолевать большее сопротивление воздуха.

Вот мы и подошли ко второй параметрической величине аэродинамики – к сопротивлению. Любой пешеход скажет, что при ходьбе, резкие порывы ветра довольно ощутимы. Кроме того, каждому велосипедисту известно такое явление как сопротивление воздуха, особенно при сильном встречном ветре. Некоторые из них, пожалуй, уже сами установили тот факт, что данное сопротивление возрастает с увеличением скорости. Сопротивление воздуха – тем больше, чем выше скорость полета самолета, а именно составляет величину, равную квадрату скорости ветра.

Зависимость сопротивления от формы телаЗависимость сопротивления от формы тела

Возрастание сопротивления происходит также с увеличением удельного веса (или соответственно плотности) воздуха. Тяжелый холодный воздух или „более плотный воздух“ по близости с поверхностью земли оказывает большее сопротивление, но при этом и создает лучшую подъемную силу, чем теплый легкий или разреженный воздух на больших высотах. Для обоснования соотношения сопротивления и подъемной силы, одного только измерения скорости ветра не достаточно. Для этого необходимо знать удельный вес воздуха. При скоростном напоре – эти обе величины: скорость и удельный вес – объединены.

Кроме того, на создаваемое сопротивление значительно влияет форма тела. В этом может убедиться каждый, подержав зонт против ветра. Точные измерения величин сопротивления тел, самых различных форм, в аэродинамической трубе, можно увидеть на рисунке 3. Таким образом, можно утверждать, что сопротивление тела зависит не только от его относительной скорости к воздуху, а и в особой мере от собственной формы.

Изначально существовало мнение, что сопротивление воздуха тела состоит из трения воздуха об верхнюю поверхность и вытеснения его окружающим воздухом. Результат более точных исследований показывает, что наибольшее сопротивление появляется вследствие образования завихрений на обратной стороне тела. Не вдаваясь подробно в процесс возникновения завихрений (проблемы пограничного слоя), вкратце можно охарактеризовать его как поглощение энергии. Благодаря созданию подходящей формы, соприкасающихся с потоком воздуха, частей, конструктор создает основу для предотвращения возникновения таких завихрений. В особой мере это касается самолетостроения. Благоприятные характеристики воздушного потока обтекаемой формы имеют свое основание в потоке лишенном завихрений. Отдельные частички воздуха обтекают тело в „линиях обтекания“. Чем безпрепятственнее происходит обтекание, тем меньше, создаваемая телом, сила сопротивления.

Перед вертикальной пластиной накапливаются частицы воздуха, а за ней, перед тем как воздушный поток начнет снова протекать в спокойной и равномерной форме, образуются длинные участки завихрений. Пластина создает большую область возмущений в воздушном потоке, потому что завихрения затормаживают попутный поток воздуха. Это выражается в заметном увеличении сопротивления. Обтекаемое тело постепенно отклоняет воздушный поток и практически не имеет завихрений, а его сопротивление – при одинаковой лобовой поверхности намного меньше, чем сопротивление пластины. Величина, когда определенная форма влияет на сопротивление тела, выражается с помощью коэффициента сопротивления Cw; значение данного коэффициента можно узнать, проведя соответствующие испытания. Также, определенно, значение сопротивления зависит и от состояния поверхности. Существует значительная разница между тем, где едет велосипедист, будь то ровная дорога или ухабистая. Чем ровнее поверхность дороги, тем меньше сопротивление нужно преодолеть велосипедисту.

Коэффициент сопротивления Cw может быть уменьшен благодаря рациональной форме самолета. Все поперечные сечения должны иметь максимально удобную форму обтекаемого профиля, переходы поперечных сечений, к примеру, от фюзеляжа на крыле или управляющем устройстве должны быть закрыты обтекателем таким образом, чтобы воздушный поток проходил как можно беспрепятственней и без образования завихрений. Поверхности должны быть ровными, выпуклости, вмятины, царапины, плохое покрытие, выступающие заклепки и заграждающие выступы на поверхности ухудшают коэффициент сопротивления. Он может также меняться в зависимости от состояния поверхности. Очень шероховатая поверхность способна удвоить коэффициент сопротивления формы.

Таким образом, сопротивление воздуха самолета растет в равных пропорциях с коэффициентом сопротивления, площадью лобовой поверхности и плотности воздуха и в квадрате от развиваемой скорости. Скорость полета, при одинаковых характеристиках двигателей, может увеличиваться, благодаря уменьшению коэффициента сопротивления и площади лобовой поверхности, т.е. более рациональной форме и благодаря полету в слоя атмосферы с небольшой плотностью воздуха, следовательно, на больших высотах. Следует заметить, что хоть при увеличении изгиба верхней поверхности крыла и создается большая подъемная сила, это одновременно способствует чрезвычайному увеличению сопротивления воздуха.

Подводя итог, можно сказать, что подъемная сила и сопротивление – это два взаимосвязанных фактора. Авиаконструктор должен найти компромисс в зависимости от требуемого назначения конструируемого самолета. А именно, профили крыльев самолетов для транспортировки грузов имеют больший изгиб, что влияет на уровень достигаемой скорости. Самолеты-истребители, напротив имеют небольшой изгиб в профилях крыльев, благодаря чему сила сопротивления значительно уменьшается, способствуя тем самым, развитию огромной скорости.