Плотность воздуха. Стандартная атмосфера

Плотность — очень важное физическое свойство воздуха. В осуществлении механического полета плотность воздуха играет решающую роль, так как только благодаря плотности воздуха крылья самолета и лопасти воздушного винта получают необходимую опору.

Плотность воздуха обратно пропорциональна давлению (закон Бойля-Мариотта), но зависит также и от температуры с повышением температуры плотность уменьшается, с понижением — увеличивается.

Когда мы накачиваем воздух в камеру самолетного колеса, мы увеличиваем давление в камере и тем самым увеличиваем удельный вес воздуха в объеме камеры, в результате чего и получаем повышенную плотность(и упругость) воздуха. Удельный вес воздуха и называют его весовой плотностью (обозначается греч. буквой ϒ — „гамма“).

Из механики мы знаем, что удельным весом какого-либо вещества называется вес 1 м³ этого вещества (кг/м³). Следовательно, удельным весом воздуха или его весовой плотностью будет вес 1 м³ воздуха. Точным взвешиванием установлено, что 1 м³ воздуха при температуре +15⁰ и давлении в 760 мм рт. ст. весит 1,225 кг. Температуру 15° и давление 760 м и pт. ст. принято считать нормальными условиями летнего дня. Таким образом, при нормальных условиях весовая плотность воздуха ϒ = 1,225 кг/м³ (размерность весовой плотности).

При температуре и давлении, отличающихся от нормальных, весовая плотность будет, конечно, иная (см. таблицу в следующем параграфе).

В аэродинамике обычно пользуются не весовой, а так называемой массовой плотностью воздуха.

Что же такое массовая плотность воздуха? Накачивая воздух в камеру самолетного колеса, мы увеличиваем весовую плотность воздуха только благодаря тому, что вгоняем в камеру все новые и новые порции воздуха, т. е. увеличиваем количество воздуха в камере, или его массу. Отсюда понятна зависимость между плотностью воздуха и его массой.

Масса 1 м³ воздуха, выраженная в технических единицах массы, и называется массовой плотностью воздуха (это относится и ко всякому газу).

Из механики мы знаем, что плотность вещества равна удельному весу вещества, деленному на ускорение силы тяжести. Следовательно, массовая плотность воздуха (обозначается греч. буквой р — „ро") равна его удельному весу, т. е. его весовой плотности, деленной на ускорение силы тяжести: p = ϒ/g.

Выше мы нашли, что при нормальных условиях весовая плотность воздуха ϒ = 1,225 кг/м3, а ускорение силы тяжести (для наших широт) g = 9,81 м/сек². Подставляя эти значения в последнюю формулу, найдем, что массовая плотность воздуха

Для определения массовой плотности воздуха при температуре и давлении, отличающихся от нормальных, иногда пользуются специальной формулой, но обычно искомую плотность берут из готовой таблицы так называемой стандартной атмосферы (см. ниже).

При аэродинамических подсчетах иногда встречается надобность знать, во сколько раз плотность воздуха на какой- либо высоте Н меньше плотности у земли (на уровне моря), т. е. отношение плотности p_H к плотности p₀. Это отношение p_H/p₀ называется относительной плотностью воздуха (обозначается греч. буквой Δ — „дельта“). Следовательно, относительная плотность воздуха Δ = P_H/p₀.

Нетрудно понять, что относительная плотность воздуха есть число отвлеченное, всегда меньшее единицы.

Стандартная атмосфера. Плотность воздуха входит во все основные формулы аэродинамики. При проектировании самолета этими формулам» пользуются для определения полетных свойств самолета. Следовательно, при расчете самолета нужно брать вполне определенные значения для плотности воздуха.

Но как же брать определенные значения для плотности воздуха, если она меняется в зависимости от температуры и давления, а температура и давление зависят в свою очередь от широты и долготы места, Бремени года и дня, от погоды и самое главное от высоты над уровнем моря?

Очевидно, при расчете самолета неизбежны некоторые затруднения. Еще большие затруднения неизбежны при сравнении результатов полетных испытаний самолетов, произведенных в разных местах (например в Москве, Париже, Нью-Йорке), т. е. при разных географических и климатических условиях, иными словами, при разных значениях плотности воздуха. Для того чтобы избавиться от этих затруднений, надо, очевидно, исходить из каких-то единых (стандартных) атмосферных условий.

С этой целью прежде всего условились (в международном порядке) считать, что на уровне моря:

Эти стандартные атмосферные условия для уровня моря (для „стандартной земли“, т. е. имеющей высоту H = 0) получили название нормальных атмосферных условий.

Но этого еще недостаточно для избежание вышеуказанных затруднений. Мы ведь знаем, что давление, температура и плотность воздуха весьма сильно изменяются с высотой, причем давление в разных широтах неодинаково даже на одних и тех же высотах. Нужно было, следовательно, принять какие-то единые изменения атмосферных условий с высотой, независимо от широты места.

С этой целью были взяты среднегодовые изменения давления, температуры и плотности воздуха в средних широтах и на их основании был установлен (условно) следующий закон изменения атмосферных условий с высотой, получивший название международной стандартной атмосферы (сокращенно MCA).