Симметричное обтекание. Лобовое сопротивление. Коэффициенты лобового сопротивления для тел различной формы

Если тело имеет симметричную форму и его ось симметрии направлена параллельно движению, то воздух обтекает тело сверху, снизу и с боков одинаково. Такое обтекание называется симметричным.

В предыдущей публикации мы и рассматривали только спектры симметричного обтекания. При симметричном обтекании никакой разности давлений сверху, снизу и по бокам тела нет, разность давлений имеется лишь впереди и позади тела. Эта разность давлений, а также трение воздуха о поверхность тела и порождают силу сопротивления, имеющую точку приложения на оси симметрии тела и направленную по потоку или прямо против движения, как говорят,— прямо «в лоб».

Силу сопротивления в таких случаях (рис. 82) и называют силой лобового сопротивления, или просто лобовым сопротивлением (обозначают буквой Q), а коэффициент сопротивления — коэффициентом лобового сопротивления (обозначают С_х).

Рис. 82. Сила лобового сопротивления всегда направлена по потоку

Исходя из основного закона сопротивления воздуха и имея в виду указанные обозначения, получаем следующую формулу для определения величины лобового сопротивления: Q = C_xpSV².

Из сказанного выше ясно, что лобовое сопротивление складывается из сопротивления, возникающего в зависимости от формы тела, и из сопротивления, появляющегося вследствие трения воздуха о поверхность тела. Поэтому можно сказать, что лобовое сопротивление состоит из сопротивления формы и сопротивления трения. Отсюда следует, что для уменьшения коэффициента лобового сопротивления необходимо придавать телу как можно лучше обтекаемую форму и поверхность его делать возможно более гладкой.

Коэффициенты лобового сопротивления для тел различной формы находят опытным путем при испытании этих тел (или их точных моделей) в аэродинамической трубе. О способе отыскания коэффициентов лобового сопротивления мы- пока говорить не будем; дальше мы познакомимся с силами сопротивления, возникающими при движении крыла, и их коэффициентами и уже после того расскажем о методах аэродинамических испытаний.

В нижеследующей таблице даны коэффициенты лобового сопротивления для некоторых тел.

Из этой таблицы мы видим, что наименьшие коэффициенты лобового сопротивления имеют тела вращения, причем величина коэффициента зависит от удлинения тела. Заметим, что удлинением тела называется отношение длины тела к его наибольшей толщине. Наиболее выгодное удлинение от 3 до б (в таблице и даны коэффициенты с таким удлинением). Очень малое удлинение будет невыгодно вследствие увеличения разности давлений впереди и позади тела, т. е. по причине увеличения сопротивления формы. Большое удлинение невыгодно вследствие увеличения сопротивления трения.

Из таблицы мы видим, что наибольший коэффициент лобового сопротивления дает полое полушарие (полусфера-чашка) в случае, когда оно встречает поток своим основанием; объясняется это значительным повышением давления перед полушарием и внутри него; при обратном же положении полушария обтекание будет более плавным, и коэффициент сопротивления уменьшается, как видим, почти в 4 раза (на этом и основано устройство анемометра, о котором мы уже упоминали: при действии ветра на чашки креста анемометра (рис. 83) чашка А будет находиться под действием большей силы, чем чашка В, что и вызывает вращение креста).

Рис. 83. Силы сопротивления, действующие на чашки анемометра

Заметим, что коэффициенты в таблице даны для тел с гладкой поверхностью. При шероховатой поверхности коэффициенты увеличиваются, в особенности у тел с значительным удлинением.

В предыдущем параграфе в качестве примеров на определение силы сопротивления воздуха были решены две задачи; из сказанного здесь должно быть ясно, что в этих задачах мы определяли лобовое сопротивление. Теперь учащемуся предлагается решить самостоятельно следующие задачи, пользуясь формулой лобового сопротивления и приведенной таблицей коэффициентов С_х.