О.К. Антонов книга «ПЛАНЕРЫ-САМОЛЕТЫ»

Киев, 1990г М. Изд-во Осоавиахим 1933г.

ТЕОРИЯ ПОЛЕТА НА ПЛАНЕРЕ

Аэродинамика - наука, изучающая движение и силы в воздушной среде. Воздушная среда (воздух) обладает способностью оказывать сопротивление движущимся в ней телам, также как и всякая другая жидкая среда (газы, вода и другие жидкости).

Физические свойства воздуха не являются постоянными; они зависят от различных условий. Для авиации важнейшими свойствами воздуха являются:

1) Плотность, 2) вязкость.

Плотностью называется масса одного кубического метра воздуха; она обозначается буквою ρ. Численно она равна весу 1 м³ γ воздуха у (при данных условиях), деленному на ускорение силы тяжести g = 9,81 м/с²•

У земли:

ρ = γ /g = 1,225/9,81 = 0,125 кг с²/м⁴ (1)

так как γ на поверхности земли при нормальных условиях равняется 1,225 кг/м³•

Нормальными условиями называют следующие:

а) давление 760 мм рт. ст.

б) температура 15 Гр С (Цельсия.)

При всех других условиях плотность воздуха, вообще говоря, будет иная и может быть найдена по формуле

ρ = 0,0473p/(t + 273) (2)

где р - давление мм рт. ст.; t - температура Гр С.

Таким образом, плотность прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна абсолютной температуре (О Гр С соответствует +273 К).

Вязкостью называются свойства воздуха, обусловленные силами между частичного сцепления, оказывающими сопротивление боковому сдвигу или растяжению его частей.

Вязкость воздуха зависит главным образом от его температуры, уменьшаясь с ее увеличением.

Основной закон сопротивления воздуха - подтвержденный практикой и теорией - пишется так:

Х = СxSq, кг, где q = pv² / 2 кг/м² , так что

Х = CxS кг (3)

Из формулы (3) видно, что сопротивление воздуха зависит от:

1) коэффициента азродинамического сопротивления Сх;

2) площади поверхности тела S, м²,

3) скоростного напора q кг/м²

В свою очередь скоростной напор зависит от

1) плотности воздуха ρ

2) квадрата скорости V² м² /c²

Скоростной напор численно равен тому давлению в кг/м² которое получилось бы на данной поверхности, если бы вся кинетическая энергия движения массы воздуха, встречаемой этой поверхностью, обращалась бы в давление.

Это давление может быть легко измерено с помощью простого прибора, изображенного на Рис.1. Давление будет измеряться разностью δh высот жидкости в коленах трубки. Такой прибор может служить и для измерения скорости, если соответствующим образом разметить трубку.

Коэффициент Сх показывает, какую долю от скоростного напора на поверхность тела составляет его сопротивление. Из формулы (3) видно, что сопротивление воздуха пропорционально квадрату скорости полета, что является важнейшим законом аэродинамики.

Этот закон означает, что при увеличении скорости в два раза сопротивление увеличится в четыре раза и т. д.

Поэтому сопротивление воздуха быстро растет с увеличением скорости, достигая весьма больших величин.

Причины сопротивления. Сопротивление воздуха происходит, вообще говоря, только от того, что тело, двигаясь в воздушной среде, как-то изменяет скорости обтекающих его частиц. Если бы после прохождения тела все частицы воздуха имели бы те же скорости, что и до того, оказалось бы, что тело не имеет вовсе никакого сопротивления. На самом деле реальное тело, двигаясь в атмосфере (самолет, планер, снаряд), неизбежно вызывает в воздушной среде разнообразные возмущения, увеличивая энергию движения окружающей массы воздуха. Эта энергия заимствуется от движущегося тела (или от среды, если движется она, а тело неподвижно). Для прохождения сквозь среду тело должно затрачивать заключенную в нем энергию (движения или положения, то есть кинетическую или потенциальную соответственно).

Увлечение частиц воздуха происходит по двум основным причинам:

во-первых, вследствие существования взаимного трения между частицами

воздуха и поверхностью тела (сопротивление трения):

во-вторых, вследствие образования так называемых вихрей, большей частью

беспорядочных, уносящих с собою в пространство энергию, потерянную телом (Рис.2).

Практически строгую границу между этими двумя явлениями провести очень трудно.

Сопротивление трения можно сильно уменьшить, делая поверхность тела возможно более гладкой (покрывая ее эмалитом, лаком, политурой).

Вихревое сопротивление также может быть значительно ослаблено (почти до нуля) приданием движущемуся телу или целой конструкции «удобообтекаемой формы, не вызывающей явления срыва струй».

На Рис.3 изображена наиболее благоприятная форма тела, вызывающая минимум сопротивления. Такую форму стремятся придать, например, фюзеляжам планеров и самолетов, корпусам дирижаблей и т. д.

Коэффициент сопротивления такого тела Сх = 0,05, а для плоской пластинки, поставленной поперек потока, имеем Сх = 1,10.

Таким образом, сопротивление плоской пластинки с площадью, равной площади поперечного сечения обтекаемого тела, примерно в 20 раз больше, сопротивления хорошо обтекаемого тeла.

Определение :коэффициентов сопротивления производится опытным путем, в так называемых аэродинамических лабораториях.

Так как величина силы сопротивления не зависит от того что движется - тело или воздух, лишь бы относительные скорости движения были равны (основной принцип механики), то в аэродинамических лабораториях ныне предпочитают приводить в движение воздух, укрепляя испытываемое тело неподвижно на весах с помощью подвески в специально построенных для этой цели аэродинамических трубах (Рис.4).

С помощью мощного вентилятора воздуху в трубе сообщаются значительные скорости порядка ЗО-50 м/с.

Возникающие силы Х давления потока на обдуваемое тело измеряются весами, обычно с помощью гирь, после чего легко определить коэффициент сопротивления тела по формуле

Сх = X/qS, (4)

легко выводимой из формулы (З).

Такой опыт называется «продувкой».