Основные физические свойства воздуха

Воздух характеризуется следующими физическими свойствами: цвет, прозрачность, электропроводимость, звукопроводимость, инертность, вязкость, сжимаемость.

При движении крыла в воздухе возникают силы, ко­торые называют аэродинамическими. Их образование связано с такими физическими свойствами воздуха, как инертность, сжимаемость и вязкость.

Инертностью называется стремление тела сохранять состояние покоя или прямолинейного и равномерного движения. Мерой инертности тела является масса. Инертность воздуха оценивается его массовой плот­ностью, с увеличением которой инертность воздуха воз­растает.

Сжимаемостью называется свойство среды увеличи­вать свою массовую плотность при повышении давления и уменьшать плотность при его понижении. Сжимаемость характеризуется отношением изменения плотности

к изменению давления , то. есть величиной

Чем больше это отношение, тем больше сжимаемость, и

наоборот.

Вязкостью называется свойство среды сопротивлять­ся сдвигу одних ее слоев относительно других (сосед­них), проявляющееся в возникновении между слоями внутреннего трения.

Вязкость присуща различным средам. Однако при­рода вязкости жидкости и газа различна. У жидкости вязкость обусловлена сцеплением молекул. Поэтому, на­пример, при нагревании, когда силы сцепления ослабе­вают, вязкость жидкости уменьшается (скажем, вязкость масла в двигателе).

Вязкость воздуха объясняется обменом молекулами между соседними слоями. Выделим в, воздушном потоке

Рис. 1. Внутреннее трение в воздухе

два параллельных направлению движения очень тонких слоя, расстояние между серединами которых равно (рис. 1), причем средняя скорость одного из них больше средней скорости другого на величину На-

ходясь в беспорядочном движении, молекулы из слоя 1 попадают в слой 2 и, теряя там избыток скорости

, стремятся ускорить движение слоя 2, а более «мед­ленные» молекулы из слоя 2, попадая в слой 1, притор­маживают его движение. Нагрев воздуха ускоряет бес­порядочное движение молекул и усиливает обмен ими между слоями, ввиду чего внутреннее трение возраста­ет, а не уменьшается, как в жидкости.

Если поверхность, разделяющую слои 1 и 2, пересе­кают только беспорядочно движущиеся молекулы, а не целые струйки, то сила внутреннего трения между эти­ми слоями, приходящаяся на 1 м² разделяющей поверх­ности, выражается следующей формулой

■ ■

где µ, — коэффициент вязкости,зависящий только от температуры воздуха; при повышении температуры от 20 до 180°С он увеличивается более чем на 30%. Отно-

шение называется градиентом скорости и характе-

ризует интенсивность изменения скорости поперек на-правления движения. Чем резче нарастает скорость от слоя к слою, тем сильнее между ними трение.

Инертность воздуха в воздушном потоке, Уравнение расхода. Закон Бернулли

Из определения термина «инертность» вытекает, что инертность воздуха, рассматриваемого как сплошная среда, может проявиться лишь в том случае, когда, его частицы; испытывают изменения величины или сопро­тивления скорости. При этом инертность проявляется в виде понижения или повышения давления.

Закон постоянного секундного расхода воздуха яв­ляется важнейшим законом теоретической аэродинами­ки. Он формулируется так: при установившемся движе­нии газа через любое поперечное сечение данной струй­ки за одну секунду проходит одна и та же масса газа (рис. 2).

Поскольку

но, так как мы рассматриваем уравнение при малых скоростях (дозвуковых), когда воздух несжимаем, то

Из данного урав­нения вытекает очень важный практический вывод: чем меньше поперечное сечение данной струйки, тем скорость воздуха в нем больше, и наоборот, чем больше попереч­ное сечение струйки, тем скорость в нем меньше.

По частицы воздуха обладают инертностью (имеют массу) и, в соответствии со вторым законом Ньютона, могут получать ускорение только под действием силы, направленной в сторону движения. Значит, на рассмат­риваемом участке струи давление в сечении I должно быть больше, чем в II. Итак, наименьшее давление полу­чается там, где скорость наибольшая, и наоборот. В этом состоит сущность закона Бернулли.

Если предположить, что обмена энергией между стру­ей воздуха и окружающей средой в сечениях I и II нет, то сумма всех видов энергии воздуха в сечении I равна сумме всех видов энергии в сечении II, то есть:,.

где полная энергия — сумма кинетической и

потенциальной энергий.

При условии, что через сечения I и II проходит мас­са воздуха в 1 м³, кинетическую энергию

Рис. 2, К уравнению рас­хода: F₁,F₂ — попереч­ные сечения; ρ₁ ρ₂— плотность; m₁, m₂ — мас­са воздуха, проходящая через сечение за секунду

можно выразить произведением плотности (ρ) на квад­рат скорости, так как масса 1 м³ воздуха есть его плот­ность

Потенциальная энергия состоит из энергии давления, тепловой энергии и энергии силы веса. При условии, что воздух несжимаем, между струйкой и внешней средой отсутствует теплообмен, а энергией силы веса за незна­чительностью ее можно пренебречь, потенциальная энер­гия 1 м³ воздуха будет равна статическому давлению (Р_сг). Произведя соответствующую замену, мы полу­чим уравнение Бернулли для газа и жидкости без учета сжимаемости:

Величина называется скоростным напором

Из уравнения следует, что сумма скоростного напора и статического давления одинакова во

всех сечениях потока идеального несжимаемого воздуха
и есть величина постоянная,

Уравнение Бернулли широко используется для вы­числения картины распределения давления на поверх­ности крыла, при определении скорости полета с по­мощью приемников воздушного давления и при решении

других задач гидравлики, гидротехники и аэродинамики. При больших скоростях движения потока, порядка 0,6 от скорости звука и более, пользуются более слож­ной формулой уравнения Бернулли, учитывающей сжи­маемость воздушной среды.

Краткая характеристика атмосферы Земли

Атмосфера Земли имеет сложную структуру. Основ­ными ее слоями являются тропосфера, стратосфера и ионосфера. Это разделение основано на учете как фи­зических свойств отдельных слоев, так и характера их изменения с высотой.

Тропосфера— ближайший к поверхности земли слой
атмосферы. Ее толщина около 8—10 км над полюсами,
16—18 км над экватором и изменяется в зависимости от
времени года, температуры и характера подстилающей
поверхности, а также от характера атмосферных про­
цессов.

Все характеристики тропосферы испытывают суточ­ные и годовые изменения, обусловленные вращением Земли вокруг оси и обращением ее вокруг Солнца. Тро­посфера, особенно ее нижняя половина, является слоем, где протекают и развиваются все жизненные биологиче­ские процессы. Здесь же в основном проводится в на­стоящее время и работа парашютистов. В тропосфере сосредоточен почти весь водяной пар и здесь осущест­вляется непрерывный его круговорот (испарение, кон­денсация и кристаллизация с облакообразованием). Температура (t), атмосферное давление (Р) и плотность (ρ) воздуха понижаются с высотой (температура в среднем на 6,5° С на каждый километр, давление в сред­нем на 1мм через каждые 10 м).

Между слоями тропосферы и стратосферы лежит
тонкий слой, называемый тропопаузой.
Стратосфера— слой атмосферы над тропопаузой при­
мерно до высоты 82—83 км. Характеризуется более мед­
ленным изменением температуры с высотой, чем в тро­
посфере. Стратосферу подразделяют на нижнюю (До
высоты 32—40 км) и верхнюю, простирающуюся от это­
го уровня до 82—83 км.
Нижняя стратосфера характеризуется зимой (по
крайней мере, в средних и высоких широтах) медленным

понижением температуры с высотой (2° или несколько менее на 1 км), а летом таким же медленным ее рос­том. Поэтому нижнюю стратосферу рассматривают как изометрический слой.

Верхняя стратосфера более сложна по термической структуре, так как включает в себя слой с повышенным содержанием озона (0₃) —озоносферу, начинающуюся примерно от 17—20 км и простирающуюся до 50—55 км. Сильное поглощение озоном ультрафиолетовой радиации солнца обусловливает значительное повышение темпе­ратуры, особенно в верхней ее части (примерно от 35 до 55 км) до максимального значения около 80° С на высоте приблизительно 55 км. Выше начинается посто­янное понижение температуры (в среднем 4,4° С на каждый километр). В результате на высоте 82—83 км температура достигает примерно —35° С. На верхней границе этого холодного слоя плавают серебристые об­лака, что говорит о начале (уже в ионосфере) устойчи-вого роста температуры воздуха с высотой.

Ионосфера — слой атмосферы, расположенный на вы­соте примерно от 80 до 500 км и содержащий большое количество заряженных электричеством частичек, назы­ваемых ионами. Это ионизированные молекулы и атомы атмосферных газов и свободные электроны. Они созда­ют очень высокую проводимость воздуха, что ведет к преломлению, отражению, поглощению и поляризации радиоволн. В частности, это обусловливает слышимость радиосигналов даже незначительной мощности на боль­шие расстояния.

В ионосфере наблюдаются полярные сияния, свече­ния ночного неба, а также магнитные бури.

Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений, что обусловлено высокими скоростя­ми движения ионизированных молекул и атомов атмос­ферных газов и свободных электронов (кинетическая температура). Ниже приводится схема строения атмос­феры Земли с кривыми изменения температуры (t°С), давления (Рст), направления и скорости перемещения воздушных масс (рис. 3).

Рис. 3. Схема строения атмосферы Земли