Движение тел в жидкостях и газах

Одной из важнейших задач гидродинамики является исследование движения твердых тел в газе и жидкости, в частности изучение тех сил, с которыми среда действует на движущееся тело. Эта проблема приобрела особенно большое значение в связи с бурным развитием авиации и увеличением скорости движения морских судов.

На тело, движущееся в жидкости или газе, действуют две силы (равнодействующую их обозначим R), одна из которых (R_x) направлена в сторону, противоположную движению тела (в сторону потока), — лобовое сопротивление, а вторая (R_y) перпен­дикулярна этому направлению — подъемная сила (рисунок слева).

Для крыла самолета требуется большая подъемная сила при малом лобовом сопротивлении, что достигается при малых углах атаки a (угол к потоку).

Если тело симметрично и его ось симметрии совпадает с направлением скорости, то на него действует только лобовое сопротивление, подъемная же сила в этом случае равна нулю.

Можно доказать, что в идеальной жидкости равномерное движение происходит без лобового сопротивления.

Если рассмотреть движение цилиндра в такой жидкости (рисунок справа), то картина линий тока симметрична как относительно прямой, проходящей через точки А и В, так и относительно прямой, проходящей через точки С и D, т. е. результирующая сила давления на поверхность цилиндра будет равна нулю.

Иначе обстоит дело при движении тел в вязкой жидкости (особенно при увеличении скорости обтекания).

Вследствие вязкости среды в области, прилегающей к поверх­ности тела, образуется пограничный слой частиц, движущихся с меньшими скоростями.

В результате тормозящего действия этого слоя возникает вращение частиц и движение жидкости в пограничном слое становится вихревым.

Если тело не имеет обтекаемой формы (нет плавно утончающейся хвостовой части! ), то пограничный слой жидкости отрывается от поверхности тела.

За телом возникает течение жидкости, направ­ленное противоположно набегающему потоку. Оторвавшийся пограничный слой, сле­дуя за этим течением, образует вихри, вращающиеся в противоположные стороны (рисунок слева).

В заключение следует отметить, что все выводы вышеприведенного анализа будут справедливыми не только для жидкостей, но и газов. Это означает, что подобному рассмотрению можно подвергнуть и вопросы оптимального построения формы автомобильного кузова с точки зрения аэродинамического обтекания. Практически, в первую очередь, – это достижение максимума скорости и экономичности современного автомобиля.