Физические свойства воздуха
На характер обтекания, воздушным потоком, существенное влияние оказывают физические свойства воздуха: инертность, вязкость, сжимаемость.
Инертность - свойство воздуха сопротивляться изменению состояния покоя или равномерного прямолинейного движения (второй закон Ньютона). Мерой инертности является массовая плотность воздуха.
Вязкостью называется способность жидкостей и газов сопротивляться усилиям сдвига своих частиц. Наибольшей вязкостью обладают твердые тела, у которых велики внутренние силы сцепления частиц. Газы, между молекулами которых расстояния достаточно велики, практически не сопротивляются относительному сдвигу слоев частиц в свободном потоке.
Однако, вязкость газа, не проявляемая в свободном потоке, сильно сказывается при движении потока вблизи твердой поверхности. Эффект “прилипания” (или “смачивания”) нижнего слоя потока приводит к торможению частиц в вышележащих слоях.
Большая доля сопротивления самолета в полете возникает вследствие поверхностного трения воздуха, обусловленного его вязкостью.
Сжимаемостью воздуха (или другого газа) называется его способность изменять свой объем и плотность при изменении температуры или давления.
На скоростях менее 450 км/ч, сжимаемость воздуха на аэродинамические характеристики и летные данные самолетов влияния практически не оказывает.
Способность воздуха сжиматься объясняется большими расстояниями между молекулами. У любого газа межмолекулярные силы сцепления малы. Газ, стремясь расшириться, занимает весь предоставленный ему объем.
Таким образом, воздух при изменении объема или сжимается или расширяется. При этом соответственно изменяется и его плотность. Сжимаемость оценивается отношением изменения плотности Dr к изменению давления DР, их относительной величиной. . Чем больше отношение тем больше сжимаемость.
Со сжимаемостью связана скорость распространения в воздухе звуковых волн.
Под звуковыми волнами следует понимать всякие малые возмущения плотности и давления, распространяющиеся в воздухе, а под скоростью звука - скорость распространения этих возмущений.
Параметры воздуха
Состояние атмосферы на различной высоте, оказывающее влияние на движение самолета, характеризуется параметрами воздуха: давлением, температурой и плотностью.
Давление- это сила, действующая на единицу площади перпендикулярно ей. Атмосферным давлнием называется давление, вызываемое весом вышележащих слоев воздуха и ударами его хаотически движущихся молекул.
Давление обозначается буквой Р, на уровне моря - Ро.
По международной системе СИ давление измеряется в Паскалях, т. е. ньютонах на квадратный метр (Н/м2).
Барометрическое давление- это давление, измеряемое в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Обозначается буквой В, на уровне моря - Во. Давление на уровне моря в среднем равно 760 мм. рт. ст. Давление определяется по формуле: P= , где р – сила воздействия столба воздуха, кгс,
S – площадь, м2.
Давление в 1 кгс/см2 равнозначно давлению столба ртути высотой 735,6 мм. рт.ст.
Молекулы газов находятся в непрерывном хаотическом движении. Во время движения молекулы постоянно сталкиваются между собой. Поэтому в газе в отличие от твердых тел возникают силы внутреннего давления. Каждая молекула обладает определенной массой. В результате хаотического движения молекул на поверхность тела оказывается силовое воздействие – так называемое статическое давление. На какое-либо тело оно действует со всех сторон одинаково, т.к. удары молекул по всем направлениям равновероятны.
Если же некоторый объем воздуха находится в движении, то площадка дополнительно к статическому давлению подвергается силовому воздействию воздуха за счет кинетической энергии, пропорциональной квадрату скоростипотокаV2.
Это дополнительное давление называется динамическим давлением или скоростным напором. Следовательно, на тело действует так называемое полное давление: , которое зависит от скорости потока.
При аэродинамических исследованиях часто приходится измерять разность давлений. Для этого используются ртутные приборы - манометры (Рис1.3 ). Принцип их работы следующий: один конец трубки подсоединяется к пространству с атмосферным давлением, второй - к поверхности измеряемого участка. Разность уровней соответствует разности давлений : h=Ро-Р1.
Рис 1.3 Манометр
Температура- величина, характеризующая скорость хаотического движения молекул. Температуру воздуха можно измерять по двум шкалам: Цельсия и абсолютной шкале Кельвина.
За нуль градусов по шкале Цельсия принято считать температуру таяния льда, а за 100° - температуру кипения воды при атмосферном давлении, равном 760 мм рт. ст.
Если известна температура воздуха у земли, можно определить температуру воздуха на любой высоте по формуле:
tH=tO-6,5Н,
где tH- температура воздуха на заданной высоте;
t0- температура воздуха у земли;
Н - заданная высота, км.
6,5град /км – температурный градиент.
Задача. Температура воздуха у земли +10°С. Определить температуру воздуха над данным участком земли на высоте 7 км.
Решение:
t н= 10-6,50*7= - 35,50. Температура воздуха на высоте 7 км равна -35,5°С.
Температура, определяемая по шкале Кельвина, называетсяабсолютной температурой.
За нуль шкалы Кельвина принята температура, при которой прекращается тепловое движение молекул, она составляет-273° по шкале Цельсия. Абсолютную температуру можно найти по формуле:
T0К=t0С+2730,
где Т0- температура по шкале Кельвина,
t 0- температура по шкале Цельсия.
Задача Температура воздуха по шкале Цельсия равна -7°.Определить температуру воздуха на высоте 4 км по шкале Кельвина:
Решение:
Т=2730+(-7)-6,5*4=2400 К. Температура воздуха на высоте 4 км равна 2400К.
Плотность воздуха - это количество (масса) воздуха, содержащегося в 1м3 воздуха.
Установлено, что 1 м3 воздуха при стандартных атмосферных условиях (барометрическое давление 760мм.рт.ст., температура +150С) весит 1,225кгс.
Плотность обозначается греческой буквой и определяется по формуле:
кгс с2/м4 или кг/м3,
где m –масса воздуха,
V – объем, занимаемый воздухом, в м3.
Массовая плотность воздуха при стандартных атмосферных условиях равна 0,125 кгс с2/м4.
Массовая плотность, также как масса воздуха, является мерой инертности воздуха. Это является причиной сопротивления в полете.
Связь между параметрами воздуха.Плотность и давление воздуха взаимосвязаны. Чем больше плотность, тем больше молекул воздуха в данном объеме и, следовательно, тем больше давление (и наоборот). Но давление зависит также от кинетической энергии хаотического движения молекул, которая пропорциональна температуре. Таким образом, состояние воздуха характеризуется тремя физическими параметрами: давлением р, плотностью и температурой Т. Связь между этими величинами выражается известным из термодинамики уравнением состояния газов (уравнением Клапейрона):
g R T,
где Т – абсолютная температура;
R – газовая постоянная, равная для воздуха ,
Р- давление; -плотность; g-ускорение свободного падения.
После подстановки значений R иg уравнение состояния принимает вид:
.
Таким образом, чем выше давление и ниже температура, тем больше плотность воздуха. Также следует заметить, что плотность влажного воздуха меньше, чем сухого (при одних и тех же условиях).
С высотой плотность воздуха падает, так как давление в большей степени падает, чем понижается температура воздуха.
Интерес представляет расчет плотности по давлению и температуре воздуха, так как эти величины могут быть определены с помощью приборов. Если, например, давление по барометру равно 760 мм рт. ст. ( ), а температура по термометру равна +15°С, то плотность воздуха согласно уравнению равна: .
Задача.Определить массовую плотность воздуха на уровне моря, если барометрическое давление В =800 мм рт. ст., а температура воздуха t = - 23°C
Решение:
кгс .
Дата добавления: 2016-09-06; просмотров: 5427;