В аэродинамике чаще всего пользуются массовой плотностью.

АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ

Атмосферой называется газовая оболочка, окружающая земной шар. Газ, составляющий эту оболочку, называется воздухом

Атмосферой называется газовая оболочка, окружающая земной шар. Газ, составляющий эту оболочку, называется воздухом

ТЕМПЕРАТУРА ВОЗДУХА

Температура - величина, характеризующая степень теплового состояния тела (газа) или скорость хаотического движения молекул (чем выше температура, тем больше скорость их движения, и наоборот). 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.

Температура, отсчитываемая от абсолютного нуля по шкале Кельвина, называется абсолютной температурой.

За нуль Кельвинов (К) принята температура, при которой прекращается тепловое передвижение молекул, она составляет-273° по шкале Цельсия (°С).

ДАВЛЕНИЕ ВОЗДУХА

Давление - это сила, действующая на единицу площади перпендикулярно к ней. Всякое тело, находящееся в неподвижном воздухе, испытывает со стороны последнего давление, одинаковое со всех сторон (закон Паскаля). Атмосферное давление объясняется тем, что воздух подобно всем другим веществам обладает весом и притягивается землей.

Атмосферным давлением называется давление, вызываемое весом вышележащих слоев воздуха и ударами его хаотически движущихся молекул. За единицу давления принята техническая атмосфера (атм.) - давление, равное одному килограмму силы на один квадратный сантиметр (кгс/см²). 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, измеренное в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Обозначается буквой В, на уровне моря – В₀.

Стандартным барометрическим давлением называется давление на уровне моря в мм рт. ст. Оно в зависимости от температуры и влажности колеблется от 700 до 800 мм рт. ст. и в среднем равно 760 мм. рт. ст.

Давление в 1 кгс/см² равнозначно столбу ртути высотой 735,6 мм и называется технической атмосферой.

В физике под барометрическим давлением 1 атм. подразумевается давление воздуха, равное 1,0332 кгс/см² или стандартному барометрическому давлению 760 мм рт. ст.

Высота полетапо высотомеру не всегда совпадает с реальной высотой воздушного судна. Высотомеры в самолётах — по сути, калибруемые барометры, то есть высоту они вычисляют по разнице давления на земле и в воздухе. Для вычисления истинной высоты потребовалось бы постоянно вносить в приборы данные об атмосферном давлении в каждой точке маршрута, учитывать высоту этих точек над уровнем моря.

Поэтому принято пользоваться стандартным давлением. Если на всех воздушных судах будет установлено одинаковое значения давления на альтиметре, то и показания высоты на приборе в заданной точке воздушного пространства будут одинаковыми. Поэтому с определённого момента при наборе высоты (высота перехода) и до определённого момента при снижении (эшелон перехода) высота воздушного судна рассчитывается по стандартному давлению.

Значение стандартного давления (QNE) — 760 мм рт. ст. (1013,2 гектопаскаля, 29,921 дюйма рт. ст.) — одинаково во всем мире.

QNE (Q-code Nautical Elevation)- стандартноеатмосферноедавление, равное 760 ммрт.ст. (1013 ГПа).

QNH (Q-code Nautical Height)- давление, приведенноекуровнюморя. ПриустановкеэтогодавлениявысотомернаВППбудетпоказывать превышение относительносреднегоуровняморя.

QFE (Q-code Field Elevation)- давлениенаторцеВППаэродрома. ПриустановкеэтогодавлениявысотомербудетпоказыватьвысотуотносительноВПП. Поэтому, находясьнасамойВПП, навысотомеребудет“0”.

Вбольшинствестранмира (втомчислеЕвропеиКитае) используетсядавление QNH иорганОВДвыдаетвысотыпоэтомудавлению.

ВРоссиижеинекоторыхстранахСНГ (напримерБелоруссии) используетсядавление QFE.

ПОЛЕЗНЫЙ СОВЕТДавление
В 4-х мбр. - 3 мм.рт.столба.
Для диапазона давлений 735 -765 мм.рт.ст.
достаточно помнить что 1000мбр. = 750 мм.,
10мбр. = 7.5мм., 1мбр. = 0.75мм.

Перевод давления из мм. в дюймы ртутного столба.
Ключевыми здесь являются два числа 3000 и 762.
В нашем примере необходимо перевести 752 мм. в дюймы.
Решение: 762 - 752 = 10; 10 х 4 = 40; 3000 - 40 = 2960
Осталось только правильно поставить точку.
29.60 !
Погрешность метода не превышает 0.01 дюйма (0.25 мм.)
в диапазоне 738 - 786 мм. рт. ст.

ПЛОТНОСТЬ ВОЗДУХА

Плотность воздуха - это количество воздуха, содержащегося в 1 м³ объема. В физике существует понятие двух видов плотности - весовая (удельный вес) и массовая.

В аэродинамике чаще всего пользуются массовой плотностью.

Весовая плотность (удельный вес) воздуха - это вес воздуха в объеме 1 м³.

Весовая плотность (удельный вес) 1 м³ объема воздуха - 1,225 кгс/м³.

Массовая плотность воздуха - это масса воздуха в объеме 1 м³ – 0,1250 кг с²/м⁴

Согласно закону Бойля-Мариотта плотность воздуха будет тем больше, чем больше давление, а согласно закону Гей-Люссака плотность воздуха тем больше, чем меньше температура воздуха. Объединив эти два закона для определения зависимости между плотностью, давлением и температурой воздуха, получим уравнение состояния газа (закон Бойля-Мариотта - Гей-Люссака)

pv= p/ρ=RT,

где Р - давление, кгс/м²;

v - удельный объем, м³/кг;

R - газовая постоянная, кгс м/кг град или Дж/кгК (для воздуха равная 27,3);

ρ– плотность, кг/м³.

Абсолютная влажность — количество влаги содержащейся в одном кубическом метре воздуха. Из-за малой величины обычно измеряют в г/м³.

Воздух становится насыщенным водяным паром, когда количество последнего при данной температуре достигает максимума. Если насыщенный воздух охлаждается, появляются излишки водяного пара, которые, конденсируясь, выпадают в виде осадков. Их характер (жидкие или твердые) зависит от температуры воздуха. Если насыщенный водяным паром воздух, наоборот, нагревается, происходит удаление его. Главной причиной образования облаков является адиабатическое расширение, осуществляющееся при восходящем движении воздуха. Скорость его небольшая, в среднем около 3—5 см/с. Но поскольку процесс поднятия или опускания масс воздуха происходит продолжительное время, восходящее движение больших объемов воздуха образовании облаков и осадков играет огромную роль. Если принять, что средняя скорость подъема равна 3 см/с, то масса воздуха в течение суток может подняться более чем на 2,5 километра и при обычных условиях охладиться на 20—25° С. При хорошем влагосодержании воздуха такое охлаждение достаточно для образования мощной облачности и выпадения обильных обложных осадков.

Относительная влажность — отношение парциального давления паров воды в газе (в первую очередь, в воздухе) к равновесному давлению насыщенных паров при данной температуре.

Относительная влажность (эквивалентное определение) — отношение массовой доли водяного пара в воздухе к максимально возможной при данной температуре. Измеряется в процентах.

При изобарическом (то есть, при постоянном давлении) охлаждении воздуха с постоянной концентрацией пара наступает момент (точка росы), когда пар насыщается. При этом «лишний» пар конденсируется в виде тумана или кристалликов льда. Процессы насыщения и конденсации водяного пара играют огромную роль в физике атмосферы: процессы образования облаков и образование атмосферных фронтов в значительной части определяются процессами насыщения и конденсации. Теплота, выделяющаяся при конденсации атмосферного водяного пара, обеспечивает энергетический механизм возникновения и развития тропических циклонов (ураганов).

Точкой росы при данном давлении называется температура, до которой должен охладиться воздух, чтобы содержащийся в нём водяной пар достиг состояния насыщения и начал конденсироваться в росу.

Точка росы определяется относительной влажностью воздуха. Чем выше относительная влажность, тем точка росы выше и ближе к фактической температуре воздуха. Чем ниже относительная влажность, тем точка росы ниже фактической температуры. Если относительная влажность составляет 100 %, то точка росы совпадает с фактической температурой.

Плотность влажного воздуха всегда меньше плотности сухого воздуха, так как молекулярная масса пара меньше молекулярной массы воздуха.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОЗДУХА

На характер обтекания самолета воздушным потоком и на величину сил, возникающих при взаимодействии частей самолета и воздушного потока, 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. Чем больше массовая плотность воздуха, тем большую силу необходимо приложить к воздуху, чтобы вывести его из состояния покоя или равномерного прямолинейного движения. Следовательно, чем больше сила самолета, действующего на воздух, тем больше сила, действующая со стороны воздуха на самолет (третий закон Ньютона).

Вязкость-свойство воздуха сопротивляться взаимному сдвигу частиц. Молекулы воздуха обладают определенной скоростью беспорядочного хаотического движения, зависящего от температуры, а также скоростью общего поступательного движения. Попадая из быстро движущегося слоя в медленный, молекулы ускоряют движение медленно движущихся молекул, и наоборот - медленно движущиеся молекулы, попадая в быстро движущийся слой воздуха, притормаживают быстро движущиеся молекулы.

При движении самолета в воздушном потоке возникает сопротивление трения, которое определяет вязкость воздуха. Вязкость воздуха также определяет динамический коэффициент вязкости Чем больше температура воздуха, тем больше коэффициент вязкости, обусловленный увеличением хаотического движения молекул и ростом эффективности воздействия одного слоя воздуха на другой.

Сжимаемость - свойство воздуха изменять свою плотность при изменении давления.

На скоростях менее 450 км/чсущественного изменения давления при обтекании самолета воздушным потоком не происходит и сжимаемость воздуха на аэродинамические характеристики и летные данные самолетов влияния практически не оказывает.

СЖИМАЕМОСТЬ ВОЗДУХА И СКОРОСТЬ ЗВУКА

Помимо стационарных движений газовых потоков в аэродинамике изучаются и некоторые нестационарные процессы, например образование и распространение звуковых волн.

Способность воздуха сжиматься объясняется большими расстояниями между молекулами. Так как у любого газа (а следовательно, и воздуха) межмолекулярные силы сцепления малы, то газ, всегда стремясь расшириться, занимает весь предоставленный ему объем.

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.

СКАЧКИ УПЛОТНЕНИЯ

Рассмотрим картину распространения звуковых волн (малых возмущений) при движении источника возмущений (источника звука).

Если источник возмущений неподвижен, то волны будут распространяться с одинаковой скоростью во все стороны в виде концентрических сфер, в центре которых находится источник возмущения. Каждое возмущение (звуковая волна) представляет собой местное уплотнение молекул воздуха, которое передается от одного слоя молекул к другому, удаляясь от источника возмущения

При движении точечного источника возмущения со скоростью, меньшей скорости звука, звуковые волны идут как вперед, так и назад. В результате сферические волны будут смещены в сторону, обратную движению источника возмущений, однако источник останется внутри сфер.

Если скорость движения точечного источника возмущений сравняется со скоростью звука, то возмущения, вызванные источником, не успевают уйти от источника и в месте нахождения источника возмущений в каждый данный момент происходит наложение возмущений друг на друга. Образовавшаяся в результате этих наложений фронтальная поверхность разделяет пространство на две области: возмущенную (сзади источника) и невозмущенную (перед источником).

При движении точечного источника возмущений со скоростью, превышающей скорость движения звуковой волны (скорость звука), возмущения, им создаваемые, должны оставаться позади источника. Область, в которой распространяются малые возмущения от точечного источника возмущений, называется конусом слабых возмущений. Внутри конуса среда возмущена, вне конуса находится область, где возмущений от данного источника нет. Поверхность конуса служит естественной границей, разделяющей среду на две области - возмущенную и невозмущенную. Эту поверхность называют граничной волной слабых возмущений или границей возмущений. Граничные волны слабых возмущений образуются при движении со скоростью, превышающей скорость звука не только материальной точки, но и тонких тел с острой передней кромкой, а также при обтекании сверхзвуковым потоком поверхностей крыла, фюзеляжа и других частей самолета. Угол  между границей возмущений и направлением движения источника возмущений называется углом малых возмущений.