Движение воздуха. Понятие об аэродинамической трубе

В атмосфере воздух почти всегда находится в движении. Массы воздуха перемещаются из пунктов с большим давлением р пункты с меньшим давлением. Перемещение воздуха, почти параллельное земной поверхности, мы называем ветром. Основными факторами, характеризующими ветер, являются его направление и скорость.

Направление ветра принято обозначать той стороной горизонта, откуда дует ветер. Приборами для определения направления ветра служат флюгер и вымпел.

Скорость ветра выражается тем расстоянием, на которое перемещается за 1 секунду частица воздуха, увлекаемая рассматриваемым воздушным потоком. Для определения скорости ветра служит прибор, называемый анемометром (рис. 52). Воспринимающая часть анемометра состоит из двух укрепленных крест-накрест стержней с полыми полушариями. Под действием ветра крест приходит в быстрое вращение, и по числу его оборотов можно определить скорость ветра.

В авиации скорость ветра выражается в метрах в секунду (м/сек), а в морском деле — в баллах. В нижеследующей таблице приведена шкала Бофорта, в которой скорость ветра дана в м/сек и в баллах, и указаны признаки, по которым скорость ветра можно приблизительно определить без прибора.

Рис. Шкала Бофорта

Скорость и направление ветра подвержены быстрым колебаниям, вследствие которых, например, вымпел и флюгер почти всегда находятся в движении. Эти быстрые колебания скорости и направления ветра называют порывами ветра. Порывы ветра, как и ряд других явлений, объясняются вихревыми движениями в атмосфере.

Вихревые движения — это такие движения жидкой или газообразной среды, при которых элементы среды (т. е. малые объемы) совершают вращательные движения, каждый вокруг своей оси.

Причины вихревых движений в атмосфере очень сложны. Вблизи земли вихревое движение воздуха в значительной мере зависит от характера земной поверхности. Если на пути потока воздуха встречается гора, то над горой массы воздуха совершают подъем (рис. 53), а затем, опускаются вниз, причем с подветренной стороны и развивается вихревая деятельность. Вихревое движение воздуха мы можем нередко наблюдать.

Рис. 53. Образование вихрей вследствие неровностей земной поверхности

Так, например, при сильном ветре с подветренной стороны зданий пыль и всякий легкий сор поднимаются с земли в виде вращающихся воронок, явственно обнаруживая вихревое движение воздуха. Вихревое движение воды можно постоянно наблюдать на реке с быстрым течением, например за сваями или быками моста, позади выступающих над поверхностью воды камней и т. д.

Итак, движение воздуха, подобно движению жидкости, может быть поступательным и вихревым. Всякое сложное движение воздуха или жидкости можно рассматривать состоящий. из поступательного и вихревого.

Силовое действие ветра на тела зависит от скорости ветра. Это нам хорошо известно из обыденной жизни (об этом красноречиво говорит и приведенная таблица). И не случайность, что вместо .скорость ветра“ мы часто говорим „сила ветра“ или „напор ветра“. Однако о ветре и о силе ветра мы говорим и в тех случаях, когда никакого ветра в буквальном смысле нет, т. е. воздух неподвижен, а движется тело в воздухе.

Например, если самолет летит при полном безветрии и парашютист вылез на крыло для прыжка, то он должен очень крепко держаться, чтобы его преждевременно не сдуло ураганным ветром. Следовательно, обдувает ли движущийся воздух неподвижное тело или, наоборот, неподвижный воздух обдувает движущееся в нем тело — суть дела от этого не меняется, и во втором случае, как и в первом, мы тоже в праве говорить о воздушном потоке, обдувающем тело.

Таким образом, рассматривая действие воздушного потока на тело, мы должны под скоростью потока понимать не скорость воздуха относительно земли, а скорость воздуха относительно тела (или скорость тела относительно воздуха).

Из сказанного следует, что явления, возникающие при движении тела в воздухе, можно изучать двумя способами: или двигая тело в воздухе, или же обдувая потоком воздуха неподвижное тело. Первый способ применялся раньше (на заре авиации), но он неудобен и теперь почти оставлен.

В современной аэродинамике принято, как говорят, обращать движение, т. е. вместо того, чтобы двигать тело, предпочитают рассматривать его как неподвижное в условиях набегания на него потока со скоростью, равной и противоположной скорости движения тела. Этот прием постоянно применяется как метод рассуждения в теоретической аэродинамике и реально осуществляется в экспериментальной аэродинамике при опытах в аэродинамических трубах.

Аэродинамической трубой называется прибор, который позволяет создавать искусственный поток воздуха.

Схема простейшей аэродинамической трубы изображена на рис. 54. Оба конца трубы открыты, и в одном из них установлен вентилятор, который может быть приведен во вращение электромотором. При пуске вентилятора в ход в трубе создается воздушный поток, причем максимальная скорость потока будет в узкой цилиндрической части трубы D (о причине этого мы узнаем в следующем параграфе). Эта часть трубы называется рабочей частью.

Рис. 54. Схема простейшей аэродинамической трубы

Помещая в рабочей части трубы исследуемое тело (или его модель) и подкрашивая поток воздуха каким-либо цветным порошкообразным веществом, можно через окно в трубе наблюдать обтекание воздухом тела, а с помощью специальных весов производить замер возникающих воздушных сил. Заметим, что в зависимости от конструкции аэродинамической трубы может быть осуществлена скорость потока, превышающая скорость быстроходного самолета.

Аэродинамическая труба является основным прибором аэродинамических лабораторий (подробнее об аэродинамических трубах и о проводимых в них испытаниях будет рассказано позже).