Kvant. Гидроаэродинамика
А так ли хорошо знакомо вам движение жидкостей и газов? // Квант. — 1995. — №1. — С. 32-33.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Всякий легко согласится с тем, что
теория о силах и движениях жидкостей,
если только она не создана против воли Минервы,
не является ни бесполезной, ни тривиальной.
Даниил Бернулли
Вопросы о движении жидкостей и газов или же о движении различных твердых тел в жидкостях и газах, прежде всего в воде и в воздухе, составляют суть специальной науки — гидроаэродинамики. А вести речь об обеих средах сразу разумно потому, что их движение описывается во многом одинаково.
Прав был Бернулли — наука эта очень непростая. А уж о пользе ее и говорить не приходится: с древнейших времен людей занимали проблемы движения воды по каналам и водопроводным трубам, строительство водяных и ветряных мельниц, а затем — и вопросы море- и воздухоплавания, авиации и ракетной техники.
Чем дальше, тем больше практика подталкивала теорию к поиску законов, «управляющих» движением двух стихий. А это заставляло браться за решение сложнейших задач таких выдающихся ученых, как И.Ньютон и Л.Эйлер, У.Томсон и Дж.Максвелл, Н.Жуковский и С.Чаплыгин. До сих пор важное практическое значение имеет закон, сформулированный более 250 лет назад в знаменитой «Гидродинамике» Даниилом Бернулли и носящий теперь его имя.
Попробуйте и вы воспользоваться известными вам закономерностями, касающимися движения воздуха и воды.
Вопросы и задачи
- Можно ли использовать паруса и руль для управления полетом воздушного шара?
- Вертолет стоял на земле, а затем поднялся в воздух и «завис» на небольшой высоте. Когда он действовал на землю с большей силой?
- Как удерживается в полете воздушный змей? Зачем ему приделывают хвост?
- Что произойдет, если подуть в пространство между двумя горящими свечами?
- Зачем на крышах домов делают чердачные окна?
- Отчего опасно стоять вблизи края платформы, когда мимо проходит скорый поезд?
- Если вращать над головой кусок гофрированной трубки, вроде шланга от пылесоса, раздается звук. Как он образуется?
- Зачем на валы быстроходных ветродвигателей насаживают массивные маховики?
- Каким образом вращающиеся вертикальные цилиндры могут привести в движение судно, изображенное на рисунке?
- Зачем в центре купола парашюта делается отверстие?
- Если подуть на пламя свечи через горлышко воронки, пламя отклонится в ее сторону. Отчего?
- Почему дым от неподвижной сигареты вначале поднимается ровной струйкой, а затем начинает клубиться?
- Почему сужается струйка воды, равномерно вытекающая из крана?
- Если открытый водопроводный кран зажать пальцем так, что останется маленькое отверстие, то вода из него вырывается с большей скоростью, чем при полностью открытом кране. Почему?
Микроопыт
Приклейте к пинг-понговому шарику нитку и, держа шарик за нее, коснитесь им струи воды из-под крана. Почему при отведении нитки шарик словно прилипает к струе?
Любопытно, что…
...сила действия струи воды на препятствие очень быстро растет с увеличением скорости жидкости. Благодаря этим силам образуются овраги, русла и долины рек, размываются морские и речные берега. О масштабах работы этих сил можно судить, например, по количеству переносимых реками взвешенных наносов, достигающему сотен миллионов тонн ежегодно.
...законы гидродинамики удивительным образом «учитываются» в живой природе. Скажем, птицы, летящие клином, экономят силы при дальних перелетах, а рыбы, плывущие косяком, увеличивают свою выносливость (как было подсчитано, в несколько раз).
...преимущество движения с использованием силы ветра было подмечено еще в древней китайской пословице: «Тысяча весел, десять тысяч шестов не сравняются с парусом».
...замечательный голландский ученый и инженер Симон Стевин, известный как один из основателей гидростатики, сумел построить парусный автомобиль. Эта ветряная повозка, названная «гаагским чудом», развивала заметную скорость, «брала на борт» порядка 20 человек, могла поворачивать и двигаться даже против ветра.
...особенности движения в воздухе вращающихся тел были давно использованы человеком, например при бросании бумеранга. А вот в спорте на них обратили внимание сравнительно недавно. Это позволило легкоатлетам увеличить дальность метания дисков, а футболистам — посылать крученые мячи («сухие листы»), летящие по криволинейной траектории.
...при обдувании тела потоком воздуха за ним образуются вихри. Попеременно срываясь то с одной, то с другой стороны, они раскачивают тело. Размах колебаний может возрасти настолько, что произойдет разрушение. Так случалось с висящими мостами, радиомачтами и нефтяными вышками.
...при огромных скоростях вылета струй из гидромониторов вода перестает вести себя как жидкое тело, а действует подобно артиллерийскому снаряду, взрывая грунт и подбрасывая в воздух громадные глыбы. Это позволяет применять гидромониторы в земляных и горных работах.
...создавая сжатия и разрежения воздуха в трубах, можно по ним перемещать грузы. Это привело в начале XIX века к изобретению пневматической почты. Тот же принцип использовался и в пневматической железной дороге, перевозившей пассажиров в Нью-Йорке в семидесятых годах прошлого столетия.
...особенно эффективным примером использования сил давления струи газа или жидкости служат турбины. Поэтому практически все электростанции мира работают на водяных или паровых турбинах, а одним из основных двигателей на самолетах стала газовая турбина.
...как показывают расчеты, для дальних перелетов на земле становятся рентабельными гиперзвуковые самолеты. Их скорость может достигать 10 - 12 тысяч километров в час, а высота полета — 36 - 50 километров. Такие самолеты, из-за различных условий при полете и посадке, должны иметь особую форму, в частности — изменяющуюся геометрию крыла.
Что читать в «Кванте» о движении жидкостей и газов
- «Почему не летают самолеты в сильный дождь?» — 1989, № 7, с. 10;
- «Десять опытов из «золотого фонда» гидродинамики» — 1989, № 8, 10, с. 52;
- «Снежные заносы» — 1990, № 1, с. 15;
- «Случай в поезде» — 1990, № 5, с. 2;
- «Полеты в струе и наяву» — 1990, № 9, с. 2;
- «Опыты с вращающейся жидкостью» - 1992, № 2, с. 42;
- Калейдоскоп «Кванта» — 1992, № 6, с. 40;
- «Океанская зыбь» — 1992, № 9, с. 9;
- «Шарик с дыркой в струе пылесоса» - 1993, № 3/4, с. 52;
- «Физика в ложке воды» — 1994, № 9, с. 48.
Ответы
- Нет, поскольку скорость движения воздушного шара равна скорости ветра.
- В обоих случаях сила давления на землю одинакова. При «зависании» вертолет давит на воздух с силой, равной силе тяжести, а воздух передает действие этой силы на землю.
- Плоскость змея разделяет набегающий воздушный поток так, что давление снизу оказывается больше, чем сверху, в результате чего возникает подъемная сила. Хвост стабилизирует полет змея и позволяет выдерживать нужный угол атаки (наклон плоскости змея).
- Пламя свечей наклонятся друг к другу, так как давление в образовавшейся воздушной струе меньше давления окружающего атмосферного воздуха.
- Для выравнивания давлений. Подумайте, в связи с этим, почему взрывная волна валит сплошные заборы и оставляет невредимыми тонкие столбы.
- Увлекаемый движущимся поездом воздух производит на человека меньшее давление, чем неподвижный, что и создает силу, влекущую к поезду.
- Из-за вращения трубки давление воздуха у движущегося конца меньше, чем у неподвижного (того, что держат в руке). Разность давлений и создает воздушный поток, вибрирующий при протекании через гофрированную поверхность трубки.
- Маховик регулирует частоту вращения вала ветроколеса, мешая порывам ветра резко ее менять.
- При соответствующем вращении цилиндров скорость обдувающего их воздушного потока у задней поверхности меньше, чем у передней. Поэтому давление воздуха на цилиндры со стороны кормы судна больше, чем со стороны носа.
- Отверстие в центре купола пропускает часть набегающего воздушного потока, который разрушает возникающие с наружной стороны купола вихри, раскачивающие парашют.
- На выходе из раструба воронки образуются вихри, создающие область пониженного давления, куда и втягивается пламя свечи.
- Вначале горячие газы от сигареты поднимаются сравнительно медленно и образуют ламинарный поток. Однако выталкивающая сила ускоряет их настолько, что поток начинает завихряться и становится турбулентным.
- Из-за непрерывности потока объемный расход воды на всем протяжении струн остается постоянным. Поэтому по мере увеличения скорости воды (при падении) поперечное сечение струи уменьшается.
- При течении воды по трубе начальное давление, порядка нескольких атмосфер, из-за вязкости воды постепенно падает почти до атмосферного. Если кран зажать пальцем, внутри трубы течение воды почти прекращается, и вода у малого отверстия оказывается под большим давлением. Оно и сообщает вырывающейся струйке заметную скорость.
Микроопыт
Внутри струи давление меньше атмосферного — воздух и прижимает шарик к струе.
Материал подготовил А.Леонович