Основные законы движения воздуха

Краткая характеристика атмосферы земли

Наука, изучающая законы движения воздуха (газа) и взаимодействие воздушного потока с находящимися в нем телами, называется аэродинамикой, а силы взаимодействия воздуха и тела называются аэродинамическими.

Жуковский Н.Е. сформулировал теорему о подъемной силе, совместно с Чаплыгиным С.А. создал первые "теоретические крылья".

Атмосфера – это воздушная среда, окружающая земной шар. Нижние слои – это смесь: 78% - азот, 21% - кислород; аргон, водород, неон, углекислый газ, гелий – 1%.

Тропосфера – нижний слой атмосферы. Толщина ~ 11 км на средних широтах. Здесь: интенсивное перемешивание воздуха, образование облачности, выпадение осадков. Tемпература падает на 6,5° на каждые 100 км; в тропосфере сосредоточено ~ 80% всей массы атмосферы.

Стратосфера – над тропосферой. до Н=35-40 км.

Мезосфера –над стратосферой, до Н=80 км.

Термосфера – над мезосферой, до Н=800 км.

Экзосфера – над термосферой, более 800 км.

Характер обтекания тел воздушным потоком можно определить из аэродинамических спектров (А.С.), и зависит от формы тела, гладкости его поверхности, ориентации тела, V воздушного потока, структуры пограничного потока.

Аэродинамическим спектром называется схематическое изображение или фотография видимой картины обтекания тел воздухом.

Слой воздуха, прилегающий к обтекаемому им телу, в котором скорость меняется от нуля до скорости набегающего потока, называется пограничным слоем. По характеру течения пограничного слоя, слои делятся на три типа: ламинарный (а), турбулентный (б), смешанный (в).

При изучении движения воздуха (газа) принимают следующие допущения: среда является сплошной, воздух считается средой несжимаемой, воздух состоит их отдельных струек, с постоянными: p (давление), e (плотность), n (скорость).

Основные уравнения аэродинамики:

1. Уравнение неразрывности (непрерывности потока): закон опирается на закон сохранения массы. Через каждое поперечное сечение струйки в единицу времени протекает одна и та же масса воздуха: mi=fi´ni´ei=const m – масса, f – величина поперечного сечения, v – скорость, e – плотность воздуха. При малых скоростях - е не меняется, поэтому

f_1↓ · v₁^↑ = f₂ · v₂ = const

Из уравнения следует: средняя скорость в струйке обратно пропорциональна площади поперечного сечения, т.е. если площадь поперечного сечения потока уменьшится, то скорость в это количество раз увеличится.

2. Уравнение Бернули устанавливает связь между скоростью движения воздуха (газа) и давлением в струе. При этом опираются на закон сохранения энергии

е – плотность, v – скорость, p – давление;

где динамическое давление (скоростной напор), р – статическое давление.

Таким образом, при установившемся движении сумма динамического давления (скоростного напора) и статического давления – есть величина постоянная. Уравнение устанавливает связь между скоростью и давлением в одном сечении:

Чем > скорость воздуха в струйке, тем < давление, и наоборот. Уравнение непрерывности и закон Бернули позволяют объяснить возникновение аэродинамических сил на крыле самолета.