Инженер начинается в школе

Силы сопротивления среды

Знакомясь с инерцией на при­мере снаряда, мы убедились, что после прекращения действия движущей силы длина пути, про­ходимого телом, зависит от соп­ротивления среды, в котором оно движется: в твердом теле, жидкостях или газах.

Юные техники в своей пра­ктической деятельности встре­чаются с сопротивлением каж­дой из этих сред. В мастерской школы и на производстве при изготовлении изделий приходится преодолевать сопротивление металлов, дре­весины, пластмасс и других твердых материалов. Чтобы уменьшить силу сопротивления материала режущему ин­струменту, сам инструмент должен быть остро заточен и тщательно отполирован. Это уменьшает трение и не толь­ко улучшает качество обрабатываемой поверхности и стой­кость инструмента за счет уменьшения его нагрева, но и заметно снижает затрату энергии на обработку. Умень­шению трения при обработке и отводу тепла способст­вует и применение смазывающе-охлаждающих жидкостей. Уменьшение угла заострения инструмента тоже облегчает резание.

Увеличение затраты энергии при работе затупившимся и неправильно заточенным инструментом особенно замет­но при ручной обработке.

При разрезании заготовок ручной ножовкой она часто заедает и даже ломается. Тяжело и медленно идет работа, но зато легко можно получить травму. Причина заедания пилы — трение боковых поверхностей полотна о стенку прорези. Успешно разрезать толстую заготовку можно толь­ко в том случае, если ширина прорези будет больше толщины полотна ножовки. А такую прорезь дают полотна с разведенными зубьями. Поэтому зубья пилы по дереву необходимо не только затачивать, но и разводить.

Жидкости и газы оказывают сопротивление движущимся в них телам гораздо меньшее, чем тела твердые: идущий чело­век легко преодолевает сопротивление воздуха, движущая­ся лодка спокойно раздвигает воду. Но как только скорость возрастает, сопротивление жидкостей и газов тоже стано­вится весьма ощутимым, ибо, чем выше скорость, тем боль­ше сопротивление среды. Например, сопротивление, кото­рое оказывает воздух свободно падающему парашютисту, настолько велико, что дает возможность парашютисту бе­зопасно опуститься на землю с большой высоты. Сопротив­ление воды с возрастанием скорости становится еще более заметным: носовая часть моторной лодки поднимается над водой тем выше, чем больше скорость движения. Вода на­дежно держит лыжника, которого буксирует катер.

На преодоление сил сопротивления среды приходится затрачивать дополнительные мощности, а следовательно, и дополнительное — и притом очень значительное — ко­личество топлива. Все это резко увеличивает вес транспорт­ных средств. Для воздушных и космических кораблей вес имеет решающее значение. Поэтому конструкторы борют­ся за снижение каждого килограмма веса самолетов, а для юных техников-авиамоделистов важен буквально каждый грамм веса модели.

При очень больших скоростях жидкости и газы приобре­тают непривычные свойства. Например, водой, выталки­ваемой из сопла со сверхзвуковой скоростью, можно про­бивать отверстия в твердых горных породах и даже в ме­талле, потому что водяная струя становится «твердой». При полете со скоростями, превышающими скорость звука (а скорость современных самолетов-истребителей превышает ее в 2—3 раза), пилот в случае аварии не только не может выброситься из самолета, но даже и вы­сунуть руку из кабины — поток воздуха мгновенно срежет
ее, как бритвой. Поэто­му современные скоро­стные самолеты-истреби - тели оборудованы ката­пультой, которая с по­мощью взрывного заряда выбрасывает пилота из кабины вместе с его крес­лом. В момент ката­пультирования ограж­дение защищает пилота от удара со встречным воздушным потоком. Только после того как пилот отлетит от пада­ющего самолета на бе­зопасное расстояние, он раскрывает парашют.

Сила сопротивления среды зависит не только от ее агрегатного состо­яния и скорости движе­ния, но и от формы дви­жущегося тела и степени гладкости его поверхно­сти (рис. И).

Совсем недавно, 20— —25 лет назад, у само­лета все было «на ви­ду» — колеса, шасси, крепление крыльев. В процессе борьбы за увеличение скорости, маневренности и улуч­шение других летных характеристик самолетостроителям пришлось убрать внутрь все, что выступало наружу, даже головки заклепок — вместо полукруглых стали применять потайные. Для снижения веса самолета, не в ущерб его прочности, авиаконструкторы разработали сложные формы прокатных профилей, а для уменьшения трения всю на­ружную поверхность самолета стали тщательно заглажи­вать, «зализывать», и покрывать лаком. Самолет, автомо­биль и корабль приобрели обтекаемые формы с небольшими изменениями сечений и плавными переходами между ними. Наилучшую форму помогает определить испытание кон­
струкции или ее модели в аэродинамической трубе (рис. 12).

Форма продольного сечения самолета определяется его скоростью: для дозвуковых аппаратов она характеризуется сферической головной частью и заостренной хвостовой. При сверхзвуковых скоростях продольное сечение само­лета в головной части похоже на острый конус, а хвостовая часть — плоская, как бы обрубленная.

Тяжелый самолет, наделенный большой инерцией, при посадке требует очень длинных взлетно-посадочных полос и больших аэродромов. Это и сложно и дорого. Поэтому авиационные конструкторы стремятся использовать силу сопротивления среды для уменьшения пробега самолета после посадки. Например, у некоторых самолетов делают тормозные парашюты, которые летчик выпускает сразу же после приземления машины, а у сверхзвукового пассажир­ского лайнера «ТУ-144» (рис. 13) торможение производит­ся при помощи опускания лобового обтекателя, который в полете служит для придания самолету сверхзвуковой формы.

Сопротивление движению тела в различных средах раз­лично: наибольшее — в твердой среде, гораздо меньше — в жидкостях, наименьшее — в газах.

При большой скорости движения твердого тела в жид-

Кости ее сопротивление выталкивает тело на поверхность. Тело начинает скользить по поверхности — глиссирует. Сопротивление глиссирующего тела становится меньше, и при прежней мощности двигателей скорость судна резко возрастает. Такое свойство натолкнуло кораблестроителей на хорошую идею — создать условия, облегчающие кораб­лю подъем на поверхность воды и глиссирование. Так появились глиссеры со ступенькой на днище — реданом.

Все более широкое распространение приобретают суда на подводных крыльях (рис. 14), создающих судну подъ-

Емную силу, как крылья самолету. Как только судно раз­вивает определенную скорость, оно полностью выходит из
воды, а в воде движутся только крылья с очень небольшой поверхностью. Очевидно, еще меньшее сопротивление должно иметь транспортное средство, которое совсем не касается опоры. Так появились суда и автомобили на воз­душной подушке, поезда на электромагнитной подушке.

Сопротивление воздушной среды меньше, чем сопротив­ление других сред. Но ведь можно уменьшить сопротивление и самой воздушной среды. Для этого нужно подняться в бо­лее разреженные слои атмосферы. Поэтому авиация одно­временно с увеличением скорости поднимает и потолок по­летов, выводит самолеты на большие высоты — туда, где плотность воздушной среды мала, а значит, мало и сопро­тивление, оказываемое летящим самолетам.

Юные техники со своими моделями участвуют в соревно­ваниях, на которых основные показатели — скорость, дальность и высота подъема (или глубина). Чтобы добиться наилучших результатов на модели с заданным двигателем, нужно правильно отрегулировать его, подобрать горючее, заставить двигатель развить наибольшую мощность, на которую он способен, а все вредные сопротивления предель­но уменьшить. Как этого добиться, вы теперь знаете.