Смирнов Г.В. - Рожденные вихрем (1107599), страница 31
Текст из файла (страница 31)
В 1913 году Н. Е. Жуковский говорил: чМожио ждать от распространения теории убегающих вихрей на сопротивление шара... объяснения парадоксальных на первый взгляд явлений, получаемых при изучении изменения силы сопротивления шара со скоростью». Какие же «парадоксальные явления» имел в виду Николай Егорович? Мы уже писали о том, что ученые Европы яа протяжении нескольких столетий не уставали экспериментировать с шарами, падающими в воздухе и воде, для определения коэффициента сопротивления и что полученные ими величины имели большой разнобой. Менделеев правильно объяснял его тем, чтр коэффициент сопротивления шара не постоянен и зависит от скорости, но выяснение этой зависимости он предоставил грядущим исследователям.
И они не замедлили явиться. В 1911 году на 1 Всероссийском воздухоплавательном съезде в Петербурге ученик Жуковского Г. И. Лукьянов доложил об удивительном открытии: оказалось, что коэффициент сопротивления шара прн увеличении скорости от 6 до 12 м/с резко уменьшается. Это сенсационное сообщение вызвало недоверие у некоторых делегатов съезда, но через год знаменитый французский инженер-строитель А. Эйфсль (1832 — 1923) подтвердил сообщение русского исследователя. На склоне лет Эйфель, занявшись аэродинамическим сопротивле- пнем строительных конструкций, соорудил в Париже трубу. Продувая в ней шары, он в 19!2 году обнаружил парадокс, названный впоследствии его именем: при некоторой критической скорости сопротивление шара резко, скачком, уменьшается в 4 — 5 раз! Доказав существование этого удивительного факта, Эйфель не смог дать ему какое-нибудь разумное объяснение, н за эту задачу взялся Прандтль.
Именно его исследования показали, наконец, какую поистине головоломную загадку на протяжении веков ставил перед учеными полет шара в воздухе... Если бы ученым предложили поставить памятник в честь геометрического тела, сыгравшего наиболее важную роль в развитии науки, они скорее всего выбрали бы шар — самое простое и самое удивительное из всех геометрических тел. Именно сферическую форму автоматически принимают капельки тумана в воздухе, пузырьки газа в воде, планеты н звезды в космосе. Шар— наивыгоднейшая форма для активной зоны реактора, резервуара для хранения газов и жидкостей, для глубоководного и космического аппаратов. Однако для ученых важнее всего то, что шар симметричен относительно любой оси н плоскости, проходящей через его центр; что он, если так можно выразиться, напоминает «раздутую точку».
Именно поэтому многие уравнения физики, головоломные для других фигур, для шара очень просты. Например, закон всемирного тяготения проще всего выглядит тогда, когда притягивающиеся тела — сферы. Соударение двух шаров — простейший частный случай в теории удара. А элекпростатика начинается с изучения взаимодействия двух заряженных шариков... Так вот, один из величайших гидроаэродинамических парадоксов, доставивших исследователям массу трудносгей и разочарований„ состоит в том, что сопротивление движущегося в жидкости шара являет собой едва ли не самый сложный случай во всей теории сопротивления ..
Поместив в аэродинамическую трубу шар, Прандтль начал обдувать его потоком воздуха, в который были введены струйки дыма. Пока движение было очень медленным, пограничный слой, примыкавший к поверхности шара, плавно огибал его .и почти смыкался за иим так, что лишь тоненькая струйка вилась за кормовой Рис. 60. Разгадка епарадокса Эйфеля».
Слева — шар, обдуваемый потоком воздуха яри ламинарном пограничном слое; отрыв потока происходят перед миделеаым сеченяем, лобовое сопротивление велико. Справа -- на средншю полусферу надето тонкое проволочное кольцо, турбулнзлрушщее пограивчный слой. Отрав потока смыцается за мндслевое сечение, лобовое сопротивление репко падает оконечностью..По мере увеличения скорости пограничный слой начинал отрываться все раньше и раньше, и вихревой след за шаром, увеличиваясь в размерах, создавал все большее и большее сопротивление.
Постепенно зона отрыва потока достигала миделя — среднею сечения шара — и перемешалась даже на носовую полусферу. И в зтот момент происходила удивительная вещь! Вдруг резким скачком точки отрыва потока снова смещались назад, в кормовую полусферу, зона завихрений при атом резко сужалась и сопротивление скачком уменыпалось на 75 — 80Ъ ! Скорость, при которой зто происходило, Прандтль назвал критической. Что же происходило при этой скорости в потоке вокруг шарит Прандтль установил, что течение в самом пограничном слое может быть, как и течение в трубах или каналах, ламинарным или турбулентным. С точки зрения снижения сопротивления трения ламинарный пограничный слой всегда выюднее турбулентного, но у него есть одно свойство, оборачивающееся недостатком, когда речь идет о сопротивлении тела с тупой кормовой оконечностью.
Ламинарный пограничный слой легче и быстрее отрывается от обтекаемой поверхности, создавая широкий вихревой след и большое сопротивление. Турбулентный пограничный слой, напротив, создает большее сопротивление трения на поверхности тела, но зато лучше прижимается к ней и позже отрывается. 167 Как в трубах и каналах, ламинарный пограничный слой превращается в турбулентный резким скачком по достижении критического значения числа Рейнольдса, и именно в этом переходе была скрыта загадка эйфелева парадокса. При некоторой критической скорости пограничный слой становился турбулентным и снова прижимался к поверхности обтекаемого тела, в результате чего отрыв потока смещался за миделевое сечение в кормовую часть, и вихревая зона резко сужалась, а сопротивление уменьшалось при этом впятеро.
Прандтль решил выяснить, нельзя ли, искусственно турбулизируя пограничный слой, получить снижение сопротивления прн скоростях, меньших критической? Надев на лобовую часть шара тонкое проволочное кольцо, вызывавшее вихреобразование в пограничном слое, он добился того, что отрыв потока сместился за миделевое сечение и сопротивление при докритических скоро. стях стало у шара с кольцом гораздо меньше, чем у гладкого! Испытания Прандтля, завершенные в 1914 году, показали, как глубоки и нетривиальны процессы, связанные с полетом обычного шара в воздухе. А разработанная им теория пограничного слоя дала наконец ученым и инженерам возможность строго научно вычислять сопротивление трения плоских и криволинейных поверхностей.
До ее появления отрыв потока можно было предсказать только тогда, когда на его пути была острая кромка. Теория пограничного слоя позволила вычислять место отрыва потока и тогда, когда острые кромки на нем отсутствуют: а ведь узнать, где оторвется поток, значит предсказать величину вихревого сопротивления. Наконец, теория пограничного слоя ясно указала границы применимости теорий крыла бесконечного н конечного размахов, которые только до тех пор дают согласные с действительностью результаты, пока обтекающий крыло поток не оторвался от его поверхности. Все эти фундаментальные теоретические разработки московской и геттингенской школ и составили тот научный фундамент, без которого была бы невозможна героическая эпоха авиации †эпо великих перелетов 1920 †19 годов.
Глава т1. «ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПОБЕДЫ» эпоху эскадренных сражений военные моряки называли «эксплуатацией победы» заключительную фазу боя. Она начиналась после того, как главные силы противника были сломлены н обращались в бегство, и состояла в преследовании и уничтожении вражеских кораблей. В развитии гидроаэромеханнки положение, напоминающее такую фазу, сложилось к 1920-м годам., После того как великие теоретвки разработали матемавическую теорию подъемной силы и лобового сопротивления, началась огромная по объему кропотливая работа, сугь которой лучше всего можно выразить словами Ж.
Фурье. «Математический анализ, — писал в 1822 году этот замечательный французский физик н математик, — может вывести выражение законов природы из общих н простых явлений; но специальное применение этих законов к сложным явлениям требует долгого ряда точных наблюдений». Проведение такого «ряда точных наблюдений» потребовало квалифицированных исследователей, которые многократно превосходили численность групп, некогда сосредоточивавшихся при университетских кафедрах.
Изменился и характер научной работы: период примитивных самодельных установок и приборов кончился, и во всех странах сооружались теперь крупные исследовательские центры. К середине ХХ века число аэродинамических труб достигает при»терно тысячи, а опытовых бассейнов — нескольких десятков.
В нашей стране после Великой Октябрьской революции в полной мере проявилась практическая ценность того колоссального научного задела, который был создан Н. Е. Жуковским н его учениками. 15 де- 169 кабря !918 года В. И. Ленин подписал указ о создании Центрального аэрогидродинамического института— ЦАГИ. Плеяда блестящих советских ученых — М. В. Келдыш, М. А.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
