Аэродинамические силы

При движении тела в воздухе или, наоборот, при обтекании воздухом тела возникает сила аэродинамического сопротивления. Аэродинамическую силу можно представить в виде трех составляющих: силы лобового давления из-за торможения частиц воздуха на лобовой поверхности; силы трения воздуха о боковую поверхность тела и силы вихревого сопротивления, вызванной разрежением воздуха за телом из-за образования вихрей.

Сила трения обусловлена явлением вязкости, когда между слоями газа, движущимися с разными скоростями, из-за обмена молекулами возникают касательные силы трения. Слой газа, непосредственно прилегающий к телу, прилипает к поверхности. Молекулы внешних движущихся слоев газа, тормозятся молекулами этого пограничного слоя, создают силу трения.

Сила лобового сопротивления обусловлена торможением потока воздуха на передней поверхности тела. Поток воздуха можно представить состоящим из отдельных трубок тока, отдельных струек. Для элементарной трубки тока справедлив закон сохранения энергии, называемый уравнением Бернулли

. (2.3)

Здесь – кинетическая энергия единицы объема, так называемый скоростной напор, – потенциальная энергия единицы объема, p – статическое давление газа. Индекс «нуль» относится к невозмущенному потоку, вдали от тела.

Применим уравнение Бернулли для трубки тока, расположенной горизонтально по оси симметрии потока (рис. 2.5). Потенциальная энергия постоянна. В критической точке тела поток полностью тормозится и скорость равна нулю. Тогда повышение давления будет равно скоростному напору

. (2.4)

Для других трубок тока, попадающих на лобовую поверхность тела вскользь, полного торможения не наблюдается, тем не менее, повышение давления будет пропорционально скоростному напору.

Вихревое сопротивление обусловлено возникновением разрежения воздуха за телом. Частицы воздуха при обтекании тела с большой скоростью не в состоянии обогнуть тело вследствие инерции. Происходит не только отрыв трубок тока от тела, но и закручивание из-за трения в вихри. За телом возникает завихренная область пониженного давления, что является причиной вихревого сопротивления. Применение уравнения Бернулли для осевой трубки тока за телом (пунктир на рис. 2.5) приводит к величине силы вихревого сопротивления, пропорциональной скоростному напору.

Итак, результирующая сила аэродинамического сопротивления пропорциональна скоростному напору, квадрату скорости

. (2.5)

Коэффициент пропорциональности С_х называется коэффициентом сопротивления. По физическому смыслу он равен отношению силы аэродинамического сопротивления тела при обтекании потоком к силе при полном затормаживании этого потока. Коэффициент сопротивления зависит от формы тела. Для диска, перпендикулярного потоку, коэффициент лобового сопротивления даже чуть больше единицы. Самое наименьшее значение коэффициента у тела в форме вытянутой капли, С_х= 0,05.

Для поезда сила аэродинамического сопротивления становится сравнима с силой трения качения уже при скорости поезда около 60 км/ч. При дальнейшем увеличении скорости сила аэродинамического сопротивления становится главной в общей силе сопротивления движению. Поэтому скоростным поездам придают обтекаемую форму, как самолетам.

Дата добавления: 2014-01-04