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

1. Можно ли использовать паруса и руль для управления полетом воздушного шара?
2. Вертолет стоял на земле, а затем поднялся в воздух и «завис» на небольшой высоте. Когда он действовал на землю с большей силой?
3. Как удерживается в полете воздушный змей? Зачем ему приделывают хвост?
4. Что произойдет, если подуть в пространство между двумя горящими свечами?
5. Зачем на крышах домов делают чердачные окна?
6. Отчего опасно стоять вблизи края платформы, когда мимо проходит скорый поезд?
7. Если вращать над головой кусок гофрированной трубки, вроде шланга от пылесоса, раздается звук. Как он образуется?
8. Зачем на валы быстроходных ветродвигателей насаживают массивные маховики?
9. Каким образом вращающиеся вертикальные цилиндры могут привести в движение судно, изображенное на рисунке?

   

10. Зачем в центре купола парашюта делается отверстие?
11. Если подуть на пламя свечи через горлышко воронки, пламя отклонится в ее сторону. Отчего?

    

12. Почему дым от неподвижной сигареты вначале поднимается ровной струйкой, а затем начинает клубиться?

    

13. Почему сужается струйка воды, равномерно вытекающая из крана?
14. 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

1. «Почему не летают самолеты в сильный дождь?» — 1989, № 7, с. 10;
2. «Десять опытов из «золотого фонда» гидродинамики» — 1989, № 8, 10, с. 52;
3. «Снежные заносы» — 1990, № 1, с. 15;
4. «Случай в поезде» — 1990, № 5, с. 2;
5. «Полеты в струе и наяву» — 1990, № 9, с. 2;
6. «Опыты с вращающейся жидкостью» - 1992, № 2, с. 42;
7. Калейдоскоп «Кванта» — 1992, № 6, с. 40;
8. «Океанская зыбь» — 1992, № 9, с. 9;
9. «Шарик с дыркой в струе пылесоса» - 1993, № 3/4, с. 52;
10. «Физика в ложке воды» — 1994, № 9, с. 48.

Ответы

1. Нет, поскольку скорость движения воздушного шара равна скорости ветра.
2. 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.
3. 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).
4. Пламя свечей наклонятся друг к другу, так как давление в образовавшейся воздушной струе меньше давления окружающего атмосферного воздуха.
5. Для выравнивания давлений. Подумайте, в связи с этим, почему взрывная волна валит сплошные заборы и оставляет невредимыми тонкие столбы.
6. Увлекаемый движущимся поездом воздух производит на человека меньшее давление, чем неподвижный, что и создает силу, влекущую к поезду.
7. 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.
8. Маховик регулирует частоту вращения вала ветроколеса, мешая порывам ветра резко ее менять.
9. 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.
10. Отверстие в центре купола пропускает часть набегающего воздушного потока, который разрушает возникающие с наружной стороны купола вихри, раскачивающие парашют.
11. На выходе из раструба воронки образуются вихри, создающие область пониженного давления, куда и втягивается пламя свечи.
12. 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.
13. 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.
14. 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