Движение тел в жидкостях и газах

Одной из важнейших задач аэро- и 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 ), 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 (рис.55).

Рис. 55

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 (рис.56), 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.

Рис. 56 Рис. 57

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 (газа), направленное противоположно набегающему потоку. Оторвавшийся пограничный слой, следуя за этим течением, образует вихри, вращающиеся в противоположные стороны (рис. 57).

Лобовое сопротивление зависит от формы тела и его положения относительно потока, что учитывается безразмерным коэффициентом сопротивления С_x, определяемым экспериментально:

(33.1)

где — плотность среды; — скорость движения тела; 5 — наибольшее поперечное сечение тела.

Составляющую R_x можно значительно уменьшить, подобрав тело такой формы, которая не способствует образованию завихрения.

Подъемная сила может быть определена формулой, аналогичной (33.1):

где С_у — безразмерный коэффициент подъемной силы.

Для крыла самолета требуется большая подъемная сила при малом лобовом сопротивлении (это условие выполняется при малых углах атаки (угол к потоку, см. рис. 55). Крыло тем лучше удовлетворяет этому условию, чем больше величина К = С_у/С_х, называемая качеством крыла. Большие заслуги в конструировании требуемого профиля крыла и изучении влияния геометрической формы тела на коэффициент подъемной силы принадлежат «отцу русской авиации» Н. Е. Жуковскому (1847—1921).

Контрольные вопросы

· Что такое давление в жидкости? Давление — величина векторная или скалярная? Какова единица давления в СИ?

· Сформулируйте и поясните законы Паскаля и Архимеда.

· Что называют линией тока? трубкой тока?

· Что характерно для установившегося течения жидкости?

· Каков физический смысл и как вывести уравнение неразрывности для несжимаемой жидкости?

· Какой закон выражает уравнение Бернулли для идеальной несжимаемой жидкости? Выведите это уравнение.

· Как в потоке жидкости измерить статическое давление? динамическое давление? полное давление?

· Что такое градиент скорости?

· Каков физический смысл коэффициента динамической вязкости?

· Какое течение жидкости называется ламинарным? турбулентным? Что характеризует число Рейнольдса?

· Поясните (с выводом) практическое применение методов Стокса и Пуазейля.

· Каковы причины возникновения лобового сопротивления тела, движущегося в жидкости? Может ли оно быть равным нулю?

· Как объяснить возникновение подъемной силы (см. рис. 55)?

Задачи

6.1. Полый железный шар ( = 7,87 г/см³) весит в воздухе 5 Н, а в воде ( = 1 г/см³) — 3 Н. Пренебрегая выталкивающей силой воздуха, определить объем внутренней полости шара. [ 139 см³ ]

6.2. Бак цилиндрической формы площадью основания S = 1 м² и объемом V = 3 м³ заполнен водой. Пренебрегая вязкостью воды, определить время t, необходимое для опустошения бака, если на дне бака образовалось круглое отверстие площадью S ₁ = 10 см².

6.3. Сопло фонтана, дающего вертикальную струю высотой = 5 м, имеет форму усеченного конуса, сужающегося вверх. Диаметр нижнего сечения d ₁ = 6 см, верхнего— d ₂ = 2 см. Высота сопла = 1 м. Пренебрегая сопротивлением воздуха в струе и сопротивлением в сопле, определить: 1) расход воды в 1 с, подаваемой фонтаном; 2) разность давления в нижнем сечении и атмосферного давления. Плотность воды = 1 г/см³.

6.4. На горизонтальной поверхности стоит цилиндрический сосуд, в боковой поверхности которого имеется отверстие. Поперечное сечение отверстия значительно меньше поперечного сечения самого сосуда. Отверстие расположено на расстоянии 64 см ниже уровня воды в сосуде, который поддерживается постоянным, и на расстоянии =25 см от дна сосуда. Пренебрегая вязкостью воды, определить, на каком расстоянии по горизонтали от сосуда падает на поверхность струя, вытекающая из отверстия. [80 см]

6.5. В широком сосуде, наполненном глицерином (плотность = 1,2 г/см³), падает с установившейся скоростью 5 см/с стеклянный шарик ( = 2,7 г/см³) диаметром 1мм. Определить динамическую вязкость глицерина. [1,6 Па×с]

6.6. В боковую поверхность цилиндрического сосуда, установленного на столе, вставлен на высо­те 5 см от его дна капилляр внутренним диаметром d = 2 мм и длиной 1= 1 см. В сосуде поддерживается постоянный уровень машинного масла (плотность = 0,9 г/см³ и динамическая вязкость = 0,1 Па×с) на высоте = 80 см выше капилляра. Определить, на каком расстоянии по горизонтали от конца капилляра падает на поверхность стола струя масла, вытекающая из отверстия.

6.7. Определить наибольшую скорость, которую может приобрести свободно падающий в воздухе ( = 1,29 г/см³) стальной шарик ( = 9 г/см³) массой = 20 г. Коэффициент С _x, принять равным 0,5. [ 94 см/с ]