ТРЕНИЕ В ПРИРОДЕ И ТЕХНИКЕ

ЧТО ТАКОЕ ОБТЕКАЕМОСТЬ?

>В начале книги мы упомянули о сопротивлении давле­ния, действующем на самолёт, летящий в воздухе, или на подводную лодку, плывущую в море. Мы сказали там, что это сопротивление вызывается внутренним тре-( кием и часто рассматривается совместно с последним.

Посмотрим теперь, откуда возникает сопротивление давления.

Проделаем простой опыт. Возьмём большой лист фа­неры и быстро махнём им в воздухе, держа лист по­перёк движения. Сопротивление воздуха будет очень за­метно. Махнём теперь фанерой, держа её ребром вдоль движения. Сопротивление воздуха окажется гораздо меньше. То же самое можно обнаружить, опуская лист фанеры в реку: один раз вдоль, а другой — поперёк тече­ния. Во втором случае сопротивление воды будет значи­тельно больше. Чем это вызвано? Поставленный вдоль потока воды лист фанеры почти не нарушает течения. Он испытывает сопротивление воды только потому, что из-за внутреннего трения скользящие мимо листа фанеры слои жидкости увлекают непосредственно прилегающий к ней слой, а значит, и самый лист фанеры, с некоторой силой, т. е. только из-за силы вязкого трения в чистом виде. Однако сила эта обычно не очень велика. Совсем иная картина получается, когда лист поставлен поперёк

Потока. В этом случае сопротивление, обусловленное вяз­ким трением на кромках листа тонкой фанеры, ничтожно мало. Значит, увеличение сопротивления воды объясняет­ся не просто вязким трением. Лист теперь сильно нару­шает течение воды. Она вынуждена обтекать препятствие, изменять направление своего течения (рис. 10). Если бы не было вязкого трения воды о поверхность фанеры, по­ток, обогнув лист, сомкнулся бы сразу же за ним, как это показано на рисунке 10 слева. Скорость течения воды спе­реди и сзади листа была бы одинаковой. При этом, как оказывается, вода давила бы на обе его стороны с равной силой. Никакого сопротивления лист не испытывал бы!

Однако на самом деле вода, быстро обтекающая лист, тормозится в узком пограничном слое из-за трения о по­верхность фанеры. Это трение меняет всё дело: скорость течения воды сзади листа получается меньшей, чем спе­реди — она уменьшилась из-за трения. Как показывает опыт, это приводит к тому, что поток отрывается от по­верхности листа и сзади листа образуется скопление за­медленной, остановленной и даже текущей навстречу по­току воды. Вязкое трение вызывает вращение частиц во­ды в пограничном слое. В нём образуются водяные вихри — водовороты. Пограничный слой эа листом рас­ширяется, превращаясь в бурлящий след. Всё это видно на рисунке 10 справа. Давление в этом следе оказывается меньшим, чем в набегающем на лист потоке. Давления спереди и сзади теперь не уравновешены. Лист испыты­вает сопротивление текущей воды.

Это сопротивление, вызванное разностью давлении спереди и сзади погружённого в поток предмета, и назы -

Вается сопротивлением давления. Чем плотнее жидкость или газ, тем больше это сопротивление.

Дальнобойность артиллерии ограничивается сопротив­лением воздуха, уменьшающим скорость выпущенного из пушки снаряда. Но чем меньше плотность воздуха, тем меньше сопротивление давления. Поэтому при стрельбе снарядами дальнего действия их заставляют подниматься как можно выше, где воздух более разрежён и где' со­противление давления меньше.

С ростом скорости сопротивление давления быстро растёт. В быстром ручье устоять куда труднее, чем в спо­койно текущей реке, если зайти на одну и ту же глубину.

Сопротивление давления во многих случаях гораздо больше вязкого трения, возникающего непосредственно у поверхности обтекаемого тела. Но не будь этого вязкого трения, сопротивление давления не возникло бы вовсе. Сопротивление жидкой или газообразной среды склады­вается, как мы видим, из двух частей: из силы вязкого трения в чистом виде и из сопротивления давления. Оба они вызваны внутренним трением в жидкости или в газе.

Чем больше оставляемый движущимся в жидкости или газе предметом след, тем больше сопротивление дав­ления. Оно очень сильно зависит от формы движущегося в жидкости или газе предмета. У плоских предметов, рас­положенных вдоль потока, оно почти равно нулю, и всё сопротивление среды сводится к сравнительно неболь­шому вязкому трению о поверхность. Однако делать все предметы, предназначенные для движения в жидкости или газе, в виде плоских досок невозможно. Приходится уменьшать сопротивление среды, подбирая для них такую форму, Чтобы оставляемый предметом след был по воз­можности малым.

Посмотрите на подводную лодку (рис. И). У её кор­пуса плавная, как говорят, удобообтекаемая форма. Со - вротивление давления при движении такой лодки умень­шено почти до предела. Современные самолёты (и даже автомобили) тоже имеют обтекаемую форму. О™ напо­минают рыб и парящих птиц, у которых обтекаемая фор­ма выработалась естественным образом, как наиболее подходящая для плавания и быстрого полёта.

В шгоне за уменьшением сопротивления воздуха кор­пус самолёта не только делают удобообтекаемым, но и покрывают лаком, полируют. Это делается для того, что­бы устранить даже мельчайшие завихрения вокруг ше­роховатостей и неровностей поверхности и обусловленное этим сопротивление давления. Конечно, имеет смысл это делать только тогда, когда позаботились об обтекаемости формы самолёта в целом.

А бывает ли так, что выгодно ухудшить обтекаемость предмета? Оказывается, бывает. В современной авиации

Важную роль играет парашют. На чём основано действие парашюта? Человек, прыгнувший с самолёта без пара­шюта, падал бы на землю с большой скоростью. Скорость его свободного падения вначале растёт, но из-за сопроти­вления воздуха, вызванного наличием внутреннего тре­ния и тоже растущего с увеличением скорости, последняя достигает уже после первых 700 метров падения своей наибольшей величины — около 60 метров в секунду. Само по себе падение с такой скоростью не опасно, но удар о землю оказывается безусловно смертельным. Парашют уменьшает скорость падения. Из-за большой поверхности (площадь парашюта — около 20 квадратных метров) и специально выбранной формы, напоминающей зонтик, обращённый куполом вверх, парашют обладает плохой обтекаемостью. Поэтому обтекаемость парашютиста с раскрытым парашютом резко ухудшается. Сопротивление воздуха с увеличением скорости растёт теперь гораздо быстрее — примерно в 100 раз. Поэтому наибольшая ско­рость падения устанавливается гораздо раньше' и имеет значительно меньшую величину. Падение происходит теперь со скоростью около 4—6 метров в секунду. Такое падение уже безопасно: удар о землю получается как при прыжке с высоты двух метров, т. е. легко переносимый.