1.2 Гидродинамические силы

Сопротивление среды при движении орудий лова

Изучение гидродинамических сил, действующих на рыболовные орудия, движущиеся в воде или установленные на течении, бази­руется на общих принципах гидродинамики. Первой проблемой в

Рис. 1.4. Схема обтекания пластины по теории Гельмгольца—Кирхгофа.

э том плане, возникшей в начале XX века, является проблема оп­ределения суммарного сопротив­ления среды. Значительно позже возникли задачи о распределении гидродинамических сил по сетной поверхности рыболовного орудия. Хотя форму рыболовных орудий определяют исходя из поведения рыбы в процессе лова, однако представляет также интерес выбор внешних форм орудия лова и с гидродинамической точки зрения. При этом имеется в виду обеспе­чение наименьшего сопротивления, установление наиболее выгодного гидродинамического влияния деталей орудий лова на уловистость, обеспечение минимума деформации рыболовных орудий.

Известно, что величина гидродинамического сопротивления дан­ного тела зависит от двух факторов: интенсивности вихре- и волно­образования вокруг тела и свойств самой жидкости. В соответствии с теорией Гельмгольца—Кирхгофа струйки жидкости, приближаясь к препятствию, например к пластине, отклоняются от первоначального направления и плавно обтекают переднюю сторону пластины (рис. 1.4). За пластиной струйки срываются с ее кромок и текут даль­ше, отделяя застойную область, где скорость жидкости равна нулю. Давление за пластиной соответствует гидростатическому, а перед ней — повышенное. В опытах распределение давления оказывается близким к теоретическому в передней части тела и значительно от­личается в задней части, где образуются вихри и давление падает. Разница истинных давлений дает так называемую силу сопротивле­ния формы тела. Кроме того, в вязкой жидкости существует трение между ее частицами и поверхностью тела, которое также направлено против движения. Сумму этих двух сил — сопротивление формы и со­противление трения — называют сопротивлением тела.

В прикладной гидромеханике для определения величины гидро­динамического сопротивления движущегося тела пользуются вы­ражением Ньютона

R = k Fv², (1.20 )

где k — безразмерный опытный коэффициент, зависящий от формы тела и фи­зических условий движения;  — плотность жидкости, кг/м³; F — характер­ная площадь тела, м²; v — скорость движения жидкости относительно тела, м/с; R — гидродинамическая сила, Н.

В общем виде величину коэффициента гидродинамического со­противления k можно представить как

k = Ф(, l, v, , , g, a₀), (1.21)

где  —плотность жидкости, кг/м³; l—характерный линейный размер тела, м; v — характерная скорость движения тела в жидкости, м/с;  — коэффици­ент вязкости жидкости, Н·с/м²;  — коэффициент поверхностного натяжения, кг/с²; g — ускорение силы тяжести, м/с²; а₀ — скорость звука в жидкости, м/с.

На величину коэффициента сопротивления движению тела в жид­кости наибольшее влияние имеют вязкость жидкости, размеры тела, скорость движения и соответственно обобщающее их число Рейнольдса

(1.22)

где v — коэффициент кинематической вязкости, м²/с.

Формула сопротивления тела (1.20) часто используется в виде

(1.23)

где с — безразмерный гидродинамический коэффициент; р — плотность жидкости, кг/м³; v — скорость движения тела (жидкости), м/с; F — характерная площадь тела, м².

Безразмерный коэффициент c рассчитывают по данным опы­тов. В таких опытах, выполняемых обычно в гидроканалах или аэродинами­ческих трубах, непосредственно измеряется сила сопротивления R, действую­щая на тело при скорости v, плотность жидкости (или газа) р и характерная площадь тела F.

Подсчитанные из опытов значения с относятся к соответствую­щим каждому эксперименту значениям числа Рейнольдса, и резуль­таты опытов представляются для практического пользования в виде функций с = f(Re). Нетрудно видеть, что безразмерные коэффи­циенты сопротивления k из выражения (1.20) и с из выражения (1.23) имеют одинаковый физический смысл и связаны постоянным числом множителем, а именно с = 2k.

При скоростях движения v, меньших скорости звука а₀, сжимае­моcть газов не проявляется и законы их течения вокруг тел те же, что и для жидкостей. Поэтому при v <а_О выражение (1.23) пригодно для расчета сопротивления тел, движущихся в воде, воздухе и дру­гих жидких и газообразных средах. Значения  и v для воды и воз­духа, т. е. для сред, в которых обычно проводятся эксперименты по определению сопротивления в гидроканалах и аэродинамических трубах приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Среда	Температура t, °С	Плотность р, кг/м3	Кинематическая вязкость и, м2/с
Вода Воздух	20 20	1000 1,2	1·10-6 14,9·10-6

Сказанное выше вполне справедливо для деталей оснастки рыбо­ловных орудий, имеющих стабильную форму и обтекаемых потоком жидкости. Что же касается сетей, то определение гидродинамических сил для них имеет ряд рассматриваемых ниже особенностей, выз­ванных проницаемостью сети и нестабильностью ее формы.

Детали оснастки орудий лова представляют собой тела, близкие по форме, к шарам, цилиндрам и пластинкам (плоским и профилированным).