Главная > Разное > Аэродинамика. Избранные темы в их историческом развитии
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Глава II. Теория подъемной силы

Как я уже говорил в главе I, между теоретическими расчетами и фактическими наблюдениями, касающимися величины подъемной силы наклонной поверхности, существовало глубокое расхождение. Я также указал, что во время первого полета человека не существовало теории, которая бы объясняла поддержание, полученное с помощью кривой поверхности при нулевом угле наклона хорды крыла. По-видимому, математическая теория движения жидкости не могла объяснить основные факты, обнаруженные экспериментальной аэродинамикой.

Однако существовали теоретические результаты и эмпирические наблюдения, сделанные независимо от задачи полета летательного аппарата, которые фактически привели к точному пониманию явления аэродинамической подъемной силы.

Циркуляция и эффект Магнуса

В 1878 году лорд Рэлей, о котором мы уже упоминали, изучал течение вокруг кругового цилиндра [1]. Он установил, что если цилиндр омывается параллельным равномерным течением или равномерно движется через жидкость в состоянии покоя, то применима теорема Даламбера, и не существует силы, действующей на цилиндр. Но наложение циркуляционного течения на параллельное равномерное течение создает силу, перпендикулярную направлению первоначального течения, или перпендикулярную направлению движения цилиндра. Этот результат использовали для объяснения так называемого эффекта Магнуса, который был хорошо известен артиллеристам с начала девятнадцатого века. Это явление также понимали игроки в теннис и «неуклюжие игроки» в гольф. Собственно говоря, Рэлей предпринял исследование, чтобы пролить свет на отклоняющийся полет «срезанного» теннисного мяча.

Объяснение этого явления сравнительно простое. Начнем с теоремы Даниила Бернулли (1700-1782), которая утверждает, что в течении несжимаемой жидкости, если в данную минуту не учитывать силу тяжести и влияние трения, сумма гидростатического напора и скоростного напора постоянна вдоль линии тока. Гидростатический напор потока — это высота столба жидкости, которая в состоянии покоя создала бы посредством своего веса давление, измеренное в течении. Скоростной напор — это высота столба жидкости, которая создала бы ту же скорость потока через отверстие, расположенное на дне столба. Например, если несжимаемая жидкость протекает через горизонтальную трубу с переменным поперечным сечением, тогда, поскольку та же самая масса жидкости должна пройти через все поперечные сечения, в большем поперечном сечении скорость окажется меньше, а в меньшем поперечном сечении выше. Теперь из теоремы Бернулли следует, что там, где скорость выше, давление ниже, и наоборот. Теорему Бернулли можно рассматривать как выражение закона сохранения энергии. Ее можно истолковать как взаимный обмен между потенциальной и кинетической энергией.

Рис. 15. Идеальное течение вблизи кругового цилиндра.

Рассмотрим теперь течение, направленное слева направо вокруг цилиндра. Как показано на рис. 15, структура линий тока полностью симметрична, так что не может появиться равнодействующей силы (парадокс Даламбера). Наложим на это течение циркуляционное движение

Рис. 16. Идеальное течение вблизи кругового цилиндра с наложенным циркуляционным течением по часовой стрелке.

по часовой стрелке вокруг цилиндра (рис. 16). Тогда в точке А мы добавим скорость циркуляционного движения к скорости течения и получим увеличенную скорость, в то время как в точке В циркуляционная скорость направлена против течения и уменьшает скорость. В соответствии с теоремой Бернулли, без циркуляционного движения давление имело бы одинаковое значение в А и В, но при наличии циркуляционного движения давление в точке В выше, чем в точке А, и эта разность давлений создает силу, направленную вверх. Если циркуляционное движение происходит против часовой стрелки, то очевидно, что сила будет направлена в противоположную сторону.

Теперь можно следующим образом объяснить то, что происходит с теннисным мячом. Быстрое вращение, передаваемое мячу, создает через трение циркуляционное движение воздуха в том же направлении, в котором крутится мяч. Это циркуляционное движение, наложенное на воздушный поток, связанный с мячом, создает силу, перпендикулярную мгновенной скорости мяча, т. е. перпендикулярную траектории мяча. Если подъемная сила положительна, то эффект эквивалентен очевидному уменьшению силы тяжести; если подъемная сила отрицательна, то, по-видимому, она прибавляет силу тяжести. В первом

случае размах колебаний мяча увеличивается, во втором уменьшается. Подающий мяч бейсболист использует тот же эффект вращения, направляя мяч способом, благоприятным для его команды.

Читатель может вспомнить, что немецкий инженер Антон Флеттнер [2] использовал эффект Магнуса для управления лодкой с помощью энергии ветра. Если круговой цилиндр установить вертикально на лодке и заставить его вращаться вокруг своей оси, то ветер создаст силу в направлении, по существу перпендикулярном оси цилиндра и направлению относительного воздушного потока. Таким образом, вращающийся цилиндр может заменить парус. Фактически парус — это не что иное, как аэродинамическая поверхность. Флеттнер также доказал, что вращением в противоположных направлениях двух цилиндров с последовательным расположением, он мог бы поворачивать лодку. Я однажды совершил путешествие из Бремерхавена (Bremerhaven), примерно в 1924 году, в экспериментальной лодке Флеттнера. Действие цилиндров в качестве парусов было интересным и успешным. Однако конечная неудача изобретения была обусловлена экономическими причинами. Оно предназначалось для практического применения на дешевых грузовых судах и рыбацких лодках. Но, к сожалению, цилиндры необходимо было вращать довольно быстро, для того чтобы получить значительные движущие силы, и это вызвало необходимость использования шариковых или роликовых подшипников и принятия на работу искусного механика для технического обслуживания. Конечные расходы слишком велики для рыбацких лодок, а предполагаемая прибыль по сравнению с обычным двигателем корабля становится иллюзорной. Конечно, эксперимент Флеттнера выполнялся в то время, когда уже была создана теория подъемной силы.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление