Страница 3 из 11
Как известно, воздух представляет собой смесь нескольких газов. Воздушную оболочку земного шара мы называем атмосферой; она простирается приблизительно до высоты 2000 километров. Но, строго говоря, верхней границы атмосферы не существует, так как с высотой воздух становится все разреженнее и постепенно атмосфера сменяется безвоздушным пространством[5].
Воздух кажется нам невесомым, но это неверно. У поверхности земли, на уровне моря, один кубический метр воздуха весит приблизительно 1,3 килограмма (подсчитайте вес воздуха в вашей комнате и вы убедитесь, что воздух — довольно тяжелый газ). На высоте 5 километров один кубический метр воздуха весит уже 0,7 килограмма, на высоте 10 километров — только 0,4 килограмма и т. д.
Поскольку воздух имеет вес, он давит на тела, на всякую площадку, с которой соприкасается (подобно тому как вода давит на погруженное в нее тело со всех сторон).
Атмосферное давление можно измерить прибором, который называется барометром[6]. В простейшем виде он изображен на рис. 5.
Рис. 5. Ртутный барометр. Величина столбика ртути (Р) в трубке показывает величину давления воздуха (В) на поверхность ртути в чашке.
Идея прибора состоит в том, что давление воздуха уравновешивается столбом ртути в трубке, в которой воздуха нет, то есть над уровнем ртути в трубке пустота.
Высота столба ртути на уровне моря бывает равна в среднем 760 миллиметрам.
Когда атмосферное давление увеличивается, часть ртути из чашки вдавливается в трубку и уровень ртути в трубке повышается. При уменьшении атмосферного давления происходит обратное. Измеряя высоту столба ртути по шкале, можно всегда узнать величину атмосферного давления в миллиметрах ртутного столба.
Если площадь поперечного сечения трубки барометра равна одному квадратному сантиметру (1 см2), то вес ртутного столба, а значит и давление воздуха, равен приблизительно 1,03 килограмма. Следовательно, на уровне моря каждый квадратный сантиметр поверхности тела (сверху, снизу, с боков) испытывает давление воздуха, равное 1,03 килограмма, а каждый квадратный метр — давление в 10 000 раз большее, т. е. 10 300 килограммов.
Мы не замечаем этого громадного давления по той причине, что давление воздуха (как и жидкости) передается во все стороны с одинаковой силой. Поэтому всякое тело, находящееся в воздухе, испытывает давление со всех сторон (а также изнутри, когда воздух проникает в поры тела).
Атмосферное давление можно обнаружить очень простым опытом. Наполните стакан водой до краев, прикройте его листком плотной бумаги, затем, придерживая листок ладонью, опрокиньте стакан и отнимите руку: листок как бы при липнет к краям стакана, и вода не выльется. Сила давления воздуха, действующая на листок снизу, будет больше силы давления воды, то есть ее веса.
При изучении аэродинамических сил, действующих на самолет в полете, приходится измерять не атмосферное давление, а разность между двумя давлениями, из которых одно, скажем, равно атмосферному, а другое больше или меньше атмосферного. Для этой цели служит особый прибор — манометр. Принцип его действия такой же, как и барометра. Манометр изображен на рис. 6.
Рис. 6. Ртутный манометр. Разность уровней (Д) показывает разность давлений воздуха (В) на поверхность ртути (Р) в коленах трубки.
На поверхность ртути в обоих коленах трубки действует одинаковое давление — атмосферное; поэтому ртуть стоит в них на одном уровне. Если же одно колено, скажем, левое, соединить с пространством, в котором давление меньше атмосферного, то уровень ртути в этом колене повысится.
Столбик ртути между уровнями ртути в коленах трубки и покажет разность давлений в миллиметрах ртутного столба.
Аэродинамические силы, действующие на тело при его движении в воздухе, зависят только от его скорости относительно воздуха. Поэтому движется ли тело, а воз-дух неподвижен или, наоборот, тело неподвижно, а движется воздух, — суть дела не меняется. Как в первом, так и во втором случае мы вправе говорить о воздушном потоке, набегающем на тело. Поэтому можно представить, что самолет, летящий, например, со скоростью 200 километров в час (рис. 7, а), неподвижен, а на него набегает поток воздуха, с той же скоростью 200 километров в час (рис. 7, б)[7].
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.
ДВА ЗАКОНА АЭРОДИНАМИКИ
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.
5
Подробнее об атмосфере см. научно-популярные брошюры Гостехиздата: Беляков, Атмосфера, и Честнов, Ионосфера.
6
От греческих слов «барос» — тяжесть и «метрон» — мера.
7
Скорость принято изображать стрелкой, длина которой показывает в масштабе величину скорости.