Смирнов Г.В. - Рожденные вихрем (1107599), страница 29

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 29)

А скорость? Ясно, чем оиа больше, тем выше и сопротивление — и это подтверждается формулой Гагеиа — Пуазейля. Понятно и влияние диаметра: чем он меньше, тем труднее двигаться жидкости. Однако коварная гидравлика приберегла свой сюрприз напоследок. Уроженец Дижона А. Дарси (!803— 1888), получив инженерное образование в Париже, вернулся на родину, где ему поручили спроектировать и построить городской водопровод. Необычайный успех этого сооружения принес инженеру славу, и он был приглашен для сооружения водопровода в Брюссель.

В ходе этих работ Дарси провел свои знаменитые научные исследования по фильтрации жидкости сквозь почву и но течению воды в трубах. Но, удивительное дело, найденная нм формула не имела ничего общего с формулой Гагеиа — Пуазейля! Сопротивление в опытах Дарси получалось прямо пропорцнональным квадрату скорости и обратно про'з!Рэ порциональным диаметру трубы: 1с со — ! Устранить Р расхождение между формулами оказалось не так-то просто. С одной стороны, добросовестнейшие экспериментаторы англичанин Дж. Стоке, швейцарец Э.

Гагенбах, немец Ф. Нейман снова и снова получали доказательства того, что прав Пуазейль. С другой — не менее добросовестные исследователи англичанин Дж. Ран!4Ф кин, немцы Ф. Грасгоф и О. Мейер добывали столь же неопровержимые подтверждения тому, что прав Дарси. Особенно драматичным оказалось положение Гагена. Экспериментируя с капилляриымн трубками, он убеждался: прав он н Пуазейль; а экспериментируя с водопроводными трубами, приходил к иному выводу: прав он и Дарси...

Впечатление получалось такое; будто вода ведет себя как лукавый озорник, подчиняясь то одному, то другому закону... Вот какой напряженной драматической конфронтации достигли к 1880 году исследования, начало которым положила простая короткая фраза нз ньютоновых «Математических иачалхс «Сопротивление, происходящее от несовершенной скользкости частиц жидкости, при разных скоростях и прочих равных обстоятельствах, пропорционально скорости относительного движения частиц>. Исследования гидравликов ХЧ111 века не подтвердили этого предположения Ньютона. Онн нашли, что сопротивление жидкости в трубах, зависящее, как им казалось, только от трения, пропорционально квадрату скорости.

И лишь в конце века Кулон, вспомнив, что сам Ньютон считал сопротивление качающегося в воздухе шара зависящим от разных степеней скорости, предположил: при очень медленном движении сопротивление полностью определяется трением и зависит от первой степени скорости, а при быстром — в действие вступают силы соударения частиц, пропорциональные квадрату скорости. И его опыты с крутильными весами как будто подтвердили эту точку зрения. Однако дальнейшие события показали, что дело не такое простое: на зависимость сопротивления от скорости каким-то сложным и необычным образом влияли диаметры труб, вязкость и температура жидкости, ее давление.

Поэтому Д. И. Менделеев в !880 году имел все основания утверждать: «До сих пор нет достаточно прямых опытов для твердого суждения об этом предмете, хотя он имеет, можно сказать, капитальнейшее значение для многих частей гндродинамики». Но как разтогда, когда Дмитрий Иванович писал эти строки, два человека в мире уже были близки к разрешению парадокса, разделившего гидравликов на два лагеря. То были два ученых-инженера — русский Н. П. Петров (!836 — 1920) и англичанин О. Рейнольдс...

Крупнейший деятель техники Н. П. Петров был в !О Г. В. Смир«о» курсе всех организационных, экономических, административных, технических и научных проблем, которые ставилнсь перед инженерами-путейцами стремительным развитием русских железных дорог в конце Х1Х века. Во время русско-турецкой войны Н. П. Петров искусно организовал доставку невских пароходов на Дунай по железной дороге. Он первый научно разработал технологию перевозки и хранения зерна и угля. Под его наблюдением строилась великая транссибирская магистраль, равной которой не знает ни одна страна мира.

Он был 'инициатором создания Московского инженерного училища — нынешнего Московского института инженеров транспорта. Он был председателем Русского технического общества, председателем Международного железнодорожного конгресса 1892 года н пожизненным членом бюро конгресса, председателем Инженерного совета министерства путей сообщения и т. д. и т. п. В 1870-х годах стало ясно, что колоссальное развитие машиностроения и особенно железных дорог в скором времени станет сдерживать дороговизна смазочных масел растительного и животного происхождения. Вместе с тем на рынке явились тогда дешевые масла, получаемые из нефти и угля, н возник вопрос: как выбирать смазочный материал и смогут ли новые дешевые продукты заменить прежние? Взявшись за решение этого вопроса, Н.

П. Петров разработал гидродииамическую теорию смазки, в которой ясно указал на существование двух различных режимов течения жидкостей в трубе. В первом режиме жидкость движется прямолинейно и параллельно оси трубы в виде вложенных один в другой цилиндрических слоев, движение которых напоминает удлинение раздвижной телескопической трубы. Сопротивление в этом случае пропорционально первой степени скорости, как в опытах Гагена — Пуазейля. Во втором режиме в движущейся жидкости появляются вихри, разрывы, поперечные движения, и сопротивление трения, согласно опытам Дарси, становится пропорциональным квадрату скорости.

Это наблюдение Петрова стало ключевой идеей в замечательных открытиях английского гидродинамика О. Рейнольдса... Имя этого человека известно всем инженерам-гидравликам, гидростроителям, энергетикам, химикам-технологам и вообще тем, кому приходится иметь дело с по- 146 токами вязкой жидкости. Молодой ннженер-практнк Рейнольдс решил, что для успешной деятельности ему недостает математических познаний. Изучив греческий язык, необходимый для поступления в Кембриджский университет, он становится студентом н быстро достигает успехов в математике.

По окончаннн Кембриджа Рейнольдс получает кафедру физики в Манчестерском университете, где н делает впоследствии все свои важные открытия. В своих работах Рейнольдс осветил многие важные для техники н прикладных наук вопросы: образование града, конденсация паровоздушной смеси, теория сопла Лаваля, отслаивание металла с поверхности рельса и т. д. Рейнольдс мужественно встретил угасание творческой активности. Убеднвшнсь, что последние его трактаты оказались непонятыми из-за утраченной нм ясности изложения, он в 1905 году отстранился от дел и до конца жизни не занимался больше научной работой.

Гндродннамнческие исследования, принесшие Рсйнольдсу мировую славу, он начал в 1877 году статьей «Вихревое движение», в которой доказывал: сопротивление движущегося в жидкости тела сильно зависит от завихрений, возникающих за его кормовой частью. Впуская струйки красителя в поток, он сумел наглядно показать, какие сильные завихрения срываются с краев диска, поставленного поперек потока, н как немного вихрей образуется за кормой каплевндного тела такого же сечения. Удивительно ли, что сопротивление обтекаемого тела в несколько раз меньше, чем у диска? Но только лн вблнзн движущегося тела образуются вихри? Илн онн могут возникать и в толще самой движущейся жидкости? Ответы на этн вопросы Рейнольдс дал в двух статьях, опубликованных в 1883 †18 годах, в которых были азвнты идеи Н.

П. Петрова. онкая струйка красителя, введенная в воду, теку. щую в стеклянной трубке, быстро вытягивается в длинную резко очерченную, не смешивающуюся с водой полоску, параллельную стенкам трубки. Вода как будто движется концентрическими слоями, как вложенные одна в другую металлнческне трубки: внутренняя быстрее, примыкающая к ней — чуть медленнее, следующая— еще медленнее. Слоистым — ламннарным — называет Рейнольдс такое течение.

ш. 147 Рис. 53. Английский ученый О. Р й д <1й4й — 1й1й1, отнрмашвй существование двух принципиально разаичвмх режимов течения жидкостей.— ламниариого в турбулентного Рпс. 54. Изменение течеявя подкрашенной струйки жвдиости в воде по мере увеличения числа Рейн ольдса Ме — н данном случае скорости днюнеиия к= раут 146 лпа Ллнереии я о Шиллера-Шнабел ° лиаемера ° Лллеиа е 1УП! шпаг Пшелэеберее ш пр ш-г гпл шг уае уал ш" и' уае и=— гп и Рис. 55. Экснеримеятальная эавнснмость коэффициента сопротивления шара от числа Реанольдса. Если значение этого числа ие превышает 2800, течение ламинарное..Если оно больше 6000 — течение турбулентное.

Иэ графика ясяо видно, что при числе Реанольдса, равном 400000, коэффициент сопротивления скачком уменьшается с 0,4 до О, 08, то есть в 5 раэ А если увеличить скорость? Сразу, резким скачком замедляется движение подкрашенной струйки. Видно, как быстрые беспорядочные завихрения перемешивают краску с водой по всему объему трубки — ламинарное течение потеряло устойчивость, превратилось в вихревое течение, для которого позднее лорд Кельвин придумал великолепное слово — турбулентное течение. Стараясь как можно понятнее объяснить своим ученикам физический смысл происходящею в трубке процесса, Рейнольдс придумал любопытную аналогию. «Жидкость, — говорил он, — можно уподобить отряду солдат, ламинарное течение — четкому походному строю, турбулентное — беспорядочному движению. Тогда скорость жидкости и диаметр трубы — зто скорость движения и величина отряда.

Вязкость — дисциплина, плотность — вооружение. Чем больше отряд, чем быстрее маневры н чем тяжелее вооружение — тем раньше расстраивается походный порядок. И так же в жидкости турбулентность начинается тем быстрее, чем она тяжелее, чем меньше ее вязкость и больше диаметр и скорость». Предположив, что устойчивость ламинарного течения зависит от соотношения снл вязкости и снл инерции, Рейнольдс получил безразмерную величину — знаменитое <число Рейнольдса» е, которое как раз н управляет движением вязких жидкостей в трубах.:Если оно меньше 2300, течение всегда ламинарное, а если оно больше 6000, то течение всегда турбулентное. Если число Рейнольдса лежит в интервале 2300 — 6000, течение неустойчивое.

Характеристики

Список файлов книги