Относительное движение жидкости и твердого тела. Сопротивление воды движению плавающих средств
Относительное движение жидкости и твердого тела. Сопротивление воды движению плавающих средств
9.1. ОТНОСИТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ И ТВЕРДОГО ТЕЛА
9.1.1. Равновесие тела
Если тело полностью или частично погрузить в жидкость, то все части его смоченной поверхности будут испытывать гидростатическое давление, нормальное к поверхности тела. Результирующая сила гидростатических давлений, действующих на смоченную поверхность судна, называется силой водоизмещения Р. Сила водоизмещения направлена всегда снизу вверх и равна, согласно закону Архимеда, весу жидкости в объеме погруженной части тела
P=γW,
где W - объемное водоизмещение (объем погруженной части судна),
W - весовое водоизмещение.
9.1.2. Движение тела
Рекомендуемые материалы
Предположим, что под действием какой-либо внешней силы плавающие тело начало перемещаться в жидкости с определенной скоростью. Очевидно, что окружающая тело жидкость начнет оказывать сопротивление этому перемещению и кроме гидростатических сил на плавающих тело начнут действовать со стороны жидкости силы, препятствующие его движению. В отличие от сил гидростатического давления, гидродинамические силы, действующие на каждую элементарную площадку смоченной поверхности тела, могут быть приложены к этим площадям под углом.
Для удобства определения, их разлагают на нормальную и касательную составляющие. Нормальная составляющая гидродинамических сил называется силой давления (N), а касательная составляющая – силой трения (Т).
Элементарные гидродинамические силы, распределенные сложным образом по смоченной поверхности судна, в общем случая могут быть приведены к результирующей силе – главному вектору и главному моменту гидродинамических сил.
Для движения судна с постоянной скоростью, при сохранении неизменного положения по отношению к уровню воды, необходимо, чтобы главный вектор и главный момент гидродинамических сил уравновешивались другими силами, приложенными к судну (собственный вес, сила тяги, сила водоизмещения и др.), т. е, чтобы сумма всех действующих на судно сил равнялась нулю.
При неустановившемся движением судна, т. е. в период его разгона или торможения, к действующим силам добавляются приходящий в движение вследствие изменения скорости движения судна.
Рассмотрим судно, движущиеся равномерно-поступательно в потоке (рис. 9.1).
рис. 9.1
Влияние главного момента гидродинамических сил в дальнейшем рассматривать не будем.
Проекция главного вектора гидродинамических сил R на оси х, т. е. составляющая Rх, называется силой сопротивления воды движения судна; составляющая Ry – силой дрейфа; Rz – гидродинамической поддерживающей силой.
Соотношение между этими составляющими и их величины зависят от направления и скорости движения судна, размеров и формы корпуса, шероховатости подводной поверхности корпуса, а также от глубины и ширины водоема (реки) по которому происходит движение.
В большинстве случаев дрейфа Ry не имеет существенного значения. Остановимся на силе Rх и пока не будем учитывать влияния силы Rz на Rх.
8.1.3. Влияние гидродинамической поддерживающей силы Rz
При движении судна возникает гидродинамическая поддерживающая сила Rz – вертикальная составляющая гидродинамических сил (рис. 9.2). В результате формула плавучести принимает вид:
,
где γW- сила водоизмещения
Ещё посмотрите лекцию "Виды воды в порах горных пород и почв" по этой теме.
Rz – вертикальная составляющая гидродинамических сил.
С увеличением скорости увеличится Rz, судно начинает всплывать, объем подводной части уменьшится, соответственно уменьшится сопротивление трения Rтр и волновое сопротивление Rволн. Всплытие будет происходить до тех пор, пока судно полностью не всплывет из воды и будет скользить по поверхности. Его вес будет уравновешен гидравлической поддерживающей силой.
В связи с этим, различают три режима движения судна:
1. Плавание 
; Rz=0.
2. Переходный режим 
; W1<W.
3. Глиссирование P=Rz.
