Исследовательское задание (вместо типового)

Разработайте методику измерения и расчетов для определения С_хпри малых скоростях воздушного потока. Обсудите с преподавателем и осуществите измерения.

Упражнение 2 Описание метода измерения и установки

При экспериментальном определении коэффициента сопротивления испытуемое тело можно поместить в поток воздуха, создаваемый специальным устройством — аэродинамической трубой — и измерить силу F, действующую на тело, а также скоростьVвоздушного потока.

Величина (V²)/2, имеющая размерность давления, называется динамическим давлением и может быть измерена при помощи микроманометра, соединенного со специальным приспособлением вводимым в поток (трубкой Пито).

Но можно измерить скорость воздушного потока и при помощи крыльчатого или чашечного анемометра, а плотность воздуха определить по формуле

кг/м³,

где B— барометрическое давление в мм рт.ст.;

t— температура воздуха по шкале Цельсия.

Для измерения силы лобового сопротивления могут быть использованы аэродинамические весы (рисунок 4).

Рис 3. Принципиальная схема установки: 1— рычажные весы; 2 — воздуходувка; 3 — микроманометр с трубкой Пито.

Подготовка установки к работе.

Весы: 1. Перемещением противовеса (3) вдоль оси отрегулируйте положение рычага (1) до совпадения с указателем (риской) на шкале.

2. Держатель с исследуемым телом (6) вставьте снизу в барабан до упора и закрепите винтом, не прилагая больших усилий.

3. Компенсатором (4) отрегулируйте положения рычага (1) до совпадения его конца с указателем на шкале.

Микроманометр: 1. Проверьте горизонтальность положения микроманометра по круглому уровню.

2. Капиллярные трубки установите в положение sin = 0.25. Этим обеспечивается наибольшая чувствительность прибора.

3. Прибор должен быть настроен для измерения давления в нагнетательном режиме. Положение кранов проверьте с помощью лаборанта.

4. Установите мениск в правой капиллярной трубке на нулевой отсчет с помощью регулятора.

Рис 4. Схема аэродинамических весов: 1 — неравноплечий рычаг; 2 — шкала; 3 — противовес; 4 — компенсатор; 5 — груз; 6 — исследуемое тело.

Воздуходувка: Проверьте положение ручки автотрансформатора. Она должна быть в крайнем левом положении (питание отключено).

Расположите испытуемое тело против центра выходного отверстия аэродинамической трубы так, чтобы ось тела совпадала с осью струи, выходящей из аэродинамической трубы. При установке тела следует помнить, что струя, выходящая из аэродинамической трубы имеет сложную структуру, и только на плоскости выходного отверстия (1— 2 диаметра отверстия) имеется однородный поток. На этом расстоянии и следует проводить измерения.

Измерения

Поместите груз (5) на рычаг (1) против какого-либо деления шкалы (2).

Плавно поворачивая ручку автотрансформатора, запустите в движение воздуходувку и приведите рычаг (1) в равновесие. Введите трубку Пито в воздушный поток (как показано на рис. 3) и, слегка меняя ее положение, добейтесь максимально возможного (при данной скорости потока) подъема жидкости в правой капиллярной трубке микроманометра. Замерьте смещение мениска в миллиметрах.

Например, если груз (5) массой в 1г был помещен на 20 делений, то сила, действующая на исследуемое тело (6), составит:

(H),

где 10см — расстояние от оси опоры рычага до центра исследуемого тела (величина постоянная);

20см — расстояние от оси опоры рычага до груза.

Для получения динамического давления, выраженного в паскалях, отсчеты обрабатываются по формуле

. (17)

Здесь: — отсчет по шкале микроманометра в миллиметрах;

—начальный отсчет в мм (обычно равен нулю);

sin() — синус угла наклона капиллярных трубок (нанесен на секторе);

_ж — плотность манометрической жидкости в г/см³;

 — коэффициент для приведения результатов замера к стандартному состоянию атмосферы.

Значение  определяется по формуле:

, (18)

где B— барометрическое давление в мм рт.ст., в условиях замеров.

t— температура воздуха в градусах Цельсия;

Усвоив технику измерений, проведите серию испытаний нескольких тел при различных скоростях.

Задание (по выбору преподавателя)

1. Определите коэффициент лобового сопротивления всех тел из набора при одной и той же скорости обдувания, и расположите тела по относительному сопротивлению воздушного потока.

2. Проведите серию измерений и постройте график зависимости С = f(V) для ряда тел.

3. Проведите серию измерений и постройте график зависимости С = f(Rе)для ряда тел. Оцените толщину пограничного слоя (величину вязкости воздуха можно взять равной= 1.810^-6Пас).

Контрольные вопросы

1. Какое движение потока жидкости (газа) называется турбулентным? Ламинарным?

2. Что называют пограничным слоем? Чем определяется толщина пограничного слоя? Какую форму имеет пограничный слой около цилиндра при ламинарном обтекании? В каком месте этого слоя имеется наибольший градиент скоростей?

3. На тело, движущееся вязкой среде, действует сила лобового сопротивления. При каких условиях наблюдается сопротивления трения и сопротивление давления? Поясните, как образуется вихрь позади обтекаемого тела? Какова при этом роль пограничного слоя (и вязкости)? Поясните, что такое коэффициент лобового сопротивления и от чего он зависит? Поясните, почему лобовое сопротивление у диска больше, чем у шара. Почему у симметричных тел возникают позади два вихря?

ЛИТЕРАТУРА.

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики: В 5 т. Т.1. Механика.—М.: Наука,1979.— §§ 17 С. 471-506.

2. Хайкин С.Э. Физические основы механики.— М.: Наука, 1971.— С. 520-529,534-554.

3. Стрелков С.П. Механика.—М.:Наука, 1965.— С.346-356,376-393.

4. Савельев И.В. Курс общей физики:В 3 т. Т.1.—М.:Наука, 1977.—С. 254-262.

5. Бурсиан Э.В. Физические приборы—М.:Просвещение, 1984.—С. 29-31, 38-42, 50-54.