Меркулов В.И. - Гидродинамика знакомая и незнакомая, страница 9

Теоретический анализ влияния полимерных добавок показывает, что онн способны увеличить допустимые размеры и скорости, при которых сохраняется ламинарное течение, только в ограниченных пределах. Следовательно, крупные и быстроплавающие рыбы и млекопитающие должны иметь другой механизм снижения сопротивления, не связанный со слизистыми выделениями на поверхности кожи. Здесь уместно вспомнить об упруго-демпфирующем покрытии, изобретенном американским инженером Крамером, которое моделирует такое покрытие у дельфина Не будем останавливаться на конструкнин такого покрытия, а скажем только, что своими свойства-' ми оно должно обеспечивать погло- ' щение всех возмущений, развитие.

которых и приводит к разрушению ламинарного течения. Проведенные Крамером эксперименты показали, что его покрытие способно уменьшить сопротивление на 40%.'Особенностью такого покрытия является то„что оно..выэывает уменьшение сопротивления только в узком диапазоне скоростей. Вне этого диапазона это покрытие способно даже увеличить сопротивление, Не . исключена возможность, что некоторые млекопитающие и рыбы пользуются именно таким способом снижения сопротивления. Кроме того, для расширения диапазона допустимых скоростей они .могут регулировать упругие свойст- 105 пАРЯЩий пОлБт Р>;> Х 0,8 —, М= д5>!.

аэродинамических качеств птерозавры едва лн бь>ли хорошими летунами. Однако планирующий и парящий полет они могли использовать в полной мере. К планирующему полету непосредственно примыкает парящий. Действительно, планирование и интенсивном восходящем потоке будет сопровождаться не только горизонтальным перемещением, но и подьемом вверх, как, например, при полетах планеров Многие птицы используют этот вид полета как наиболее экономичный. Такие птицы, как альбатрос, серебристая чайка, черный аист, могут часами держаться в воздухе, ни ризу не взмахнув крыльями.

Однако способы парения птиц более разнообразны, чем. планеров. Кроме парения в восходящих потоках, птицы способны использовать пространственную и временную неравномерность встречных потоков. Рассмотрим возможность парения в воздушном потоке, скорость которого возрастает с высотой. Пусть птица планирует па ветру с какой-то началып>и высоты, При этом скорость птицы будет складываться из скорости ветра и скорости планирования. Достигнув некоторой скорости, птица постепенно поворачивает навстречу ветру.

Встречная скорость будет почти в два раза больше скорости ветра, При этом подъемная сила крыльев окажется больше веса птицы, и она начнет подниматься. Скорость ее движения„естественно, будет уменьшаться. Однако благодаря тому, что она при подъеме попадает и слои воздуха со все возрастающей скоростью, встречный поток 110 будет некоторое время сохраняться, В тот момент, когда движение птицы относительно воздушной массы полностью прекратится, птица должна повернуть по ветру, Последую>цее планирование по ветру приведет ее в ту же точку на местности, но на большей высоте Повторяя описанные движения, она будет подниматься все выше и вьппе. Другой вид динамического парения можно осуществлять, используя порывы ветра. Расчеты показывают, что если птица летит против ветра в тот промежуток времени, когда ветер усиливается, и по ветру, когда он ослабевает, то по завершении цикла она оказывается выше точки, с которой начинался ' цикл.

Полет птиц по восходящей винтовой линии, который можно часто наолюдать в природе, служит только для увеличения высоты, Но и при движении в одном направлении птицы могут осуществлять динамическое парение ЛЛя этого им достаточно менять подходящим образом угол атаки крыла и лететь с переменной высотой, 1ЙАШУЩИЙ ПО„щЛ" Планирование и парение, хотя и представляют экономичные формы полета, могут осуществляться только с некоторой начальной высоты, а далекий перелет возможен только при определенных метеорологических условиях.

Универсальной формой полета является активный машущий полет, применяемый птицами, насекомыми, летучими мышами и даже некоторыми Рыбами. Насекомые являются наиболее древней формой животных, применяющих такой способ полета. Длительный период эволюции насекомых привел к огромному разнообразию форм машущего полета. Частота взмахов варьируется от 5 Гц у крупных бабочек до 1000 Гц у мелких двукрылых.

' Многие насекомые могут зависать в воздухе, как вертолет. При эгом крылъя у них совершают колебание в горизонтальной плоскости. Попробуем понять, и чем может заключаться преимущество зависания насекомого по сравнению с зависанием вертолета. Прежде всего отметим, что законы механики являются общими как для живых существ, так и для механизмов. В частности, предмет весом . Р будет висеть только в том случае, если он отбрасывает вниз определенное количество воздуха„в соответствии с законом импульса: где Р— вес предмета, >э . и М— скорость и масса отбрасываемого в единицу времени воздуха.

Если через 5 обозначить площадь, ометаемую крыльями, то . Следовательно, Р = 0>5г'. Для того чтобы отбросить массу воздуха М со скоростью у, нужно при стопроцентном КПД совершить в единицу времени работу Ф = — Мг '= —,оБ~ 2 Из двух последних формул найдем необходимую мощность в зависимости от веса: Р 3,'> М = —. 2 !,!о>Б Очевид>нэ, что с ростом ометаемой площади уменьшается расход мощности, однако увеличиваются потери на трение и ~ращение воздуха. Это обстоятельство и требования к прочности крыльев не позволяют беспредельно увеличивать площадь 5 и тем самым уменьшать мощность М.

С учетом реальных потерь для мощности в ваттах была получена следующая формула: где 1. — размах крыльев ~м). Определим, как меняется удельная мощность п при изменении абсолютных размеров. Из последней формулы найдем м Р и== — 0,8— Р ' Х. Поскольку Р ~ 3 где а — некоторая константа, получим. и = 0,8.фхтр. Следовательно, удельная мощность воробъя с размахом крыльев Х.

= 0,25 м будет и 10 раз меньше удельной мощности летательного аппарата с размахом крыльев 25 м. В свою очередь насекомое с размахом крыльев 2,5 мм может обойтись удельной мощностью в 10 раз меньшей, чем воробей, Различие и абсолютных значениях мощностей для рассмотренных случаев еще больше бросается в >лаза. Вычислим мощность, необходимую для зависания воробьи, по таким данным: Р = 0,33 Н, Е= 025 и. Расчет две г Я=0,6 Вт. Из приведенных выше формул можно получить, что мощности для аппаратов различных размерои 111 = 0,236Р ~,'йХ л= 7 Вт/Н, относятся другк другу как М 1 ф .~7 З' Отсюда следует, что насекомому достаточно мощности .И1 — — 0,6/100 ' = 0,6 ° 10 Зт, а мощность аппарата, в 100 раз большего, чем воробей, должна равнятьс я А1~ — — 0,6 ° 100' = 6000 кВт..

Эти расчеты позволяют обьяснить неутомимость насекомых и малую грузоподъемность вертолетов. Представим себе летательный аппарат, который изготовлен по образцу и подобию воробья, но предназначен для транспортировки человека. Бес аппарата примем равным 1000 Н. Так как вес должен быть пропорционален кубу линейного размера, для размаха крыльев мы получим такую формулу: Х =0,25 — ~3,6 и..

Д000 ЯЯ Необходимая . для зависания мощность будет равна у=О,З Ч = 7 Вт. 10' '10 3,6 Удельная мощнбсть при этом Таким образом, для зависания человека с помощью крыльев необходима мощность, которую способны развить десять лошадей. В связи с этим возникает вопрос о мощностях, необходимых для зависа- ния с помощью несущего винта, и о различии в работе машущих крыльев и воздушного винта. В главе ~Гидродинамика животных» был описан движитель типа ~машущее крылоь.

Именно 112 ' потому, что работа хвостового плавника дельфина близка к работе крыльев птиц, мы можем воспользоваться экспериментами на модели плавника дельфина. Возвратно-поступательное движение крыла, согласно этим данным, создает в четыре раза больший упор, чем винт той же площади, вращающийся с той же частотой, что и крыло. Следовательно, крыло будет создавать такой же упор при частоте колебаний, в два раза меньшей, а это приведет к четырехкратному уменьшению потерь на трение о воздух. Если для насекомых зависание на одном месте является наиболее типичной формой полета, то крупные птицы никогда этого не делают, да, по-видимому, и ие способны к этому.

Горизонтальное перемещение для них является обязательным. При описании машущего полета обычно приводят несколько довольно сложных схем колебаний крыла, которые объясняют, за,счет чего ' крыло может создавать положительную тягу как при движении крыла вниз, так н при движении вверх. Наиболее экономичным является почти планирующий нли парящий полет, когда вес уравновешивается подъемной силой движущихся поступательно крыльев во встречном .потоке, а слабые взмахи лишь поддерживают необходимую скорость, Б этом случае планировани~ и создание тяги могут рассматриваться как два неза' висимых процесса; Обычное планирование сопровождается потерей высоты, потому что только при скальжении по наклонной линии сила тяжести может дать тянущую компоненту.