В.А. Алешкевич, Л.Г. Деденко, В.А. Караваев - Механика (1114476), страница 59
Текст из файла (страница 59)
×òîáû ïðåäîòâðàòèòü óäàð ãîíäîëû î çåìëþ èç-çà ïàäåíèÿ ïîäúåìíîé ñèëû, íåîáõîäèìî ïåðåä ïîñàäêîé óìåíüøèòü ìàññó àýðîñòàòà.Ýòî äîñòèãàåòñÿ âûáðàñûâàíèåì îñòàþùåãîñÿ áàëëàñòà.Îòìåòèì, ÷òî âïåðâûå èäåÿ ïîëåòîâ â ñòðàòîñôåðó íà àýðîñòàòå ñ ãåðìåòè÷íîé êàáèíîé (ñòðàòîñòàòå) áûëà ïðåäëîæåíà â 1875 ã. Ä. È.
Ìåíäåëååâûì. Ïåðâûåïîëåòû â ñòðàòîñôåðó â ãåðìåòè÷íîé ãîíäîëå áûëè ñîâåðøåíû â 19311932 ãã.áåëüãèéöåì À. Ïèêàðîì; îí äîñòèã âûñîòû îêîëî 16 êì.  1934 ã. ñîâåòñêèéýêèïàæ â ñîñòàâå Ï. Ô. Ôåäîñååíêî, À. Á. Âàñåíêî è È. Ä. Óñûñêèíà íà ñòðàòîñòàòå «Îñîàâèàõèì-1» ïîäíÿëñÿ íà ðåêîðäíóþ â òî âðåìÿ âûñîòó 22 êì.Ñ ïîìîùüþ âûñîòíûõ àýðîñòàòîâ îñóùåñòâëÿþòñÿ ìíîãî÷èñëåííûå íàó÷íûåèññëåäîâàíèÿ.
Ðàçâèòèå òåõíèêè àýðîñòàòíûõ èññëåäîâàíèé ñâÿçàíî ñ îïåðàòèâíîñòüþ ïðîâåäåíèÿ íàó÷íûõ ðàáîò è èõ ñðàâíèòåëüíî íåáîëüøîé ñòîèìîñòüþ. Êðóã íàó÷íûõ çàäà÷, ðåøàåìûõ ïðè ýòîì, î÷åíü øèðîê: ôèçèêà Ñîëíöà èìåæïëàíåòíîé ñðåäû, γ-àñòðîíîìèÿ è äðóãèå àñòðîôèçè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ,ôèçèêà êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé, ïðîöåññû â àòìîñôåðå Çåìëè è äð. ðàçâèòûõ ñòðàíàõ ðàñ÷åò, êîíñòðóèðîâàíèå è ïðîèçâîäñòâî àýðîñòàòîâèìåþò âûñîêóþ ñòåïåíü êîìïüþòåðèçàöèè è àâòîìàòèçàöèè.
Ïðîèçâîäñòâîàýðîñòàòíûõ îáîëî÷åê îñóùåñòâëÿåòñÿ «íà çàêàç» ïîä çàäàííóþ ìàññó ïîëåçíîãî ãðóçà. Ðÿäîâûìè ÿâëÿþòñÿ ïîëåòû àýðîñòàòîâ ñ îáîëî÷êàìè íóëåâîãîäàâëåíèÿ ñ îáúåìàìè 350 000850 000 ì3 è ìàññîé ïîëåçíîãî ãðóçà 500900 êãíà âûñîòàõ 3843 êì è ïðîäîëæèòåëüíîñòüþ ïîëåòà äî 100 ÷. Ñîâðåìåííûåàýðîñòàòû ñïîñîáíû ëåòàòü íà âûñîòàõ ïðèìåðíî 50 êì (ðåêîðäíàÿ âûñîòà ñîñòàâëÿåò 51,7 êì), èõ ãðóçîïîäúåìíîñòü äîñòèãàåò íåñêîëüêèõ òîíí, ïðîäîëæèòåëüíîñòü ïîëåòà 1015 ñóò.Öåíòðèôóãèðîâàíèå.  ñîîòâåòñòâèè ñ áàðîìåòðè÷åñêîé ôîðìóëîé ïëîòíîñòüèçîòåðìè÷åñêîé àòìîñôåðû óáûâàåò ñ âûñîòîé ïî ýêñïîíåíöèàëüíîìó çàêîíóρ = ρ0e−μgxRT .(16.41)Ýòà ôîðìóëà äàåò ðàñïðåäåëåíèå ñðåäíåé ïëîòíîñòè àòìîñôåðû, ñîñòîÿùåéèç ðàçëè÷íûõ ãàçîâ.
Åñëè ãîâîðèòü î ïàðöèàëüíîé ïëîòíîñòè ðàçëè÷íûõ êîìïîíåíò, òî ïëîòíîñòü áîëåå òÿæåëûõ êèñëîðîäà O2 (μ = 0,032 êã/ìîëü) è àçîòà N2(μ = 0,028 êã/ìîëü) óáûâàåò ñ âûñîòîé áûñòðåå, ÷åì ïëîòíîñòü ëåãêîãî ãåëèÿHe (μ = 0,004 êã/ìîëü). Ýòî íàâîäèò íà ìûñëü î âîçìîæíîñòè ðàçäåëåíèÿ ëåãêèõè òÿæåëûõ ãàçîâ â ñèëîâîì ïîëå.
Íàèáîëåå óñïåøíî ýòî ìîæíî îñóùåñòâèòü âáûñòðî âðàùàþùèõñÿ âîêðóã âåðòèêàëüíîé îñè áàðàáàíàõ (öåíòðèôóãàõ), çàïîëíåííûõ ñìåñüþ ãàçîâ. Äëÿ ðàñ÷åòà ïàðöèàëüíîãî äàâëåíèÿ è ïëîòíîñòè êàæäîãî ãàçà â öåíòðèôóãå âîñïîëüçóåìñÿ ðàâåíñòâîì (16.30). Ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿåäèíèöû ìàññû ãàçà â ïîëå öåíòðîáåæíîé ñèëû è ñèëû òÿæåñòè ðàâíàU * ( x, r ) = − gx +Ïðè ïîñòîÿííîé òåìïåðàòóðå T = constpdppdp1 2 2ωr .2(16.42)pRTRT=2= ∫∫ p = μ ln p0 ,ρμp0p0ãäå p0 äàâëåíèå ãàçà â íåêîòîðîé òî÷êå íà îñè áàðàáàíà.Òîãäà èç óñëîâèÿ ðàâíîâåñèÿ (16.30) íàõîäèì:286(16.43)⎡ μp ( x, r ) = p0 exp ⎢⎣ RT1 2 2 ⎞⎤⎛⎜ − gx + 2 ω r ⎟ ⎥ .⎝⎠⎦(16.44)Êàê âèäíî èç (16.44), ïîâåðõíîñòÿìè ðàâíîãî äàâëåíèÿ áóäóò ïàðàáîëîèäûâðàùåíèÿ, ïðè ýòîì p0 ýòî äàâëåíèå íà åäèíñòâåííîì ïàðàáîëîèäå âðàùåíèÿ, äëÿ êîòîðîãî− gx +1 2 2ω r = 0.2(16.45)Êîãäà áàðàáàí ñîâðåìåííîé öåíòðèôóãè áûñòðî âðàùàåòñÿ, ñîâåðøàÿ ∼105îá/ìèí, òî öåíòðîáåæíàÿ ñèëà ïðåâûøàåò ñèëó òÿæåñòè â ñîòíè òûñÿ÷ ðàç, è⎛ μω2 r 2 ⎞p (r ) ≈ p (0 ) exp ⎜⎟.⎝ 2RT ⎠(16.46)Ñìåñü íà ïåðèôåðèè áóäåò îáîãàùàòüñÿ òÿæåëîé êîìïîíåíòîé, òàê êàê ïëîòíîñòü ρ ïðîïîðöèîíàëüíà äàâëåíèþ.
Îäíàêî ïðè ìàëîé ìîëÿðíîé ìàññå ðàçäåëåíèå ãàçîâ ïîñðåäñòâîì öåíòðèôóãèðîâàíèÿ íå áóäåò ýôôåêòèâíûì. Íà ïðàêòèêå öåíòðèôóãè ïðèìåíÿþò äëÿ ðàçäåëåíèÿ ãàçîîáðàçíûõ ñîåäèíåíèé èçîòîïîâ óðàíà, ìîëåêóë (íàïðèìåð, áåëêîâûõ) è äðóãèõ îáúåêòîâ, ÿâëÿþùèõñÿïðåäìåòîì èçó÷åíèÿ áèîëîãèè è õèìèè.Òîðíàäî. Ëîêàëüíîå âðàùåíèå âîçäóõà â àòìîñôåðå èìååò ìåñòî è â åñòåñòâåííûõ óñëîâèÿõ.
Âîçíèêàåò îíî âñëåäñòâèå íàðóøåíèÿ óñëîâèé ðàâíîâåñèÿâ àòìîñôåðå. Íàèáîëåå âïå÷àòëÿþùèì ïðèìåðîì òàêîãî äâèæåíèÿ ÿâëÿåòñÿ òîðíàäî (ñìåð÷). Òîðíàäî ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé áëèçêèé ê âåðòèêàëè âèõðü, â êîòîðîì âîçäóõ, âðàùàÿñü, îäíîâðåìåííî äâèæåòñÿ ê îñè âèõðÿ è ââåðõ âäîëü íåå.Âáëèçè îò âèõðÿ (â ÿäðå) äàâëåíèå ñèëüíî ïîíèæåíî, ÷òî çàñòàâëÿåò âîçäóõ âñëîå âûñîòîé íåñêîëüêî äåñÿòêîâ ìåòðîâ âáëèçè ïîâåðõíîñòè Çåìëè óñòðåìëÿòüñÿ â íèæíþþ ÷àñòü âèõðÿ. Äîñòèãíóâ åãî êðàÿ, âîçäóõ íà÷èíàåò ïîäíèìàòüñÿ ââåðõ ïî ñïèðàëè, ïîêà â âåðõíåé ÷àñòè òîðíàäî íå ñëèâàåòñÿ ñ âîçäóøíûìè ïîòîêàìè.Ïî ñâîåé ïðèðîäå òîðíàäî ýòî ïðîäóêò âçàèìîäåéñòâèÿ ñèëüíîé ãðîçû ñâåòðîì â òðîïîñôåðå. Ñèëüíàÿ ãðîçà îáåñïå÷èâàåò âåðòèêàëüíûé ïîäñîñ âîçäóõà.
 ñàìîì äåëå, òåïëûå ìàññû âîçäóõà ïîä äåéñòâèåì àðõèìåäîâîé ñèëû ìîãóòâñïëûâàòü ââåðõ. Èç-çà ïàäåíèÿ äàâëåíèÿ äâèæóùèåñÿ ââåðõ ìàññû áóäóò ðàñøèðÿòüñÿ è îõëàæäàòüñÿ.  òðîïîñôåðå òåìïåðàòóðà ìîæåò óìåíüøàòüñÿ ñ âûñîòîé áûñòðåå, ÷åì îõëàæäàåòñÿ ïîäíèìàþùèéñÿ îáúåì âîçäóõà. Ýòî îçíà÷àåò,÷òî àòìîñôåðà áóäåò íåóñòîé÷èâà, è â íåé èìååò ìåñòî ñâîáîäíàÿ âåðòèêàëüíàÿ êîíâåêöèÿ. Ïîñëåäíÿÿ óñèëèâàåòñÿ â ãðîçîâóþ ïîãîäó ïðè âîçðàñòàíèè âåðòèêàëüíîãî ïåðåïàäà òåìïåðàòóð. Äëÿ òîãî ÷òîáû ïîäíèìàþùèéñÿ âîçäóõ íà÷àë âðàùàòüñÿ, íåîáõîäèì áîêîâîé âåòåð, ñêîðîñòü êîòîðîãî óâåëè÷èâàåòñÿ ñâûñîòîé. Âåðòèêàëüíûé ãðàäèåíò ñêîðîñòè âåòðà ÿâëÿåòñÿ ïðè÷èíîé âðàùåíèÿâîçäóõà âîêðóã ãîðèçîíòàëüíîé îñè (ðèñ.
16.18, à), à íàëè÷èå âåðòèêàëüíîãîäâèæåíèÿ âîçäóõà ïðèâîäèò ê åãî äâèæåíèþ ââåðõ ïî ñïèðàëè (ðèñ. 16.18, á ).Ñîãëàñíî ñîâðåìåííûì ïðåäñòàâëåíèÿì, îáðàçîâàíèå òîðíàäî ïðîèñõîäèòâ äâå ñòàäèè. Âíà÷àëå íà÷èíàåò çàêðó÷èâàòüñÿ âåñü ñòîëá âîñõîäÿùåãî âîçäóõàäèàìåòðîì îêîëî 10 20 êì, íàçûâàåìûé ìåçîöèêëîíîì. Ìåçîöèêëîí ñ ïîíèæåííûì äàâëåíèåì íà åãî îñè ïîäîáåí ðóêàâó ïûëåñîñà (ðèñ. 16.19). Âîçäóõ â287Ðèñ.
16.18ïðèçåìíîì ñëîå íà÷èíàåò çàñàñûâàòüñÿâ ýòîò ìåçîöèêëîí, ïðè ýòîì åãî ñêîðîñòü ïîä âðàùàþùèìñÿ ñòîëáîì äîñòèãàåò 100 120 êì/÷.Íà âòîðîé ñòàäèè ïî íå óñòàíîâëåííûì ïîêà ïðè÷èíàì âíóòðè ìåçîöèêëîíà, áëèæå ê åãî ïåðèôåðèè, îáðàçóåòñÿîáëàñòü ñ äèàìåòðîì íå áîëåå 1 êì, âêîòîðîé íà âûñîòàõ ïîðÿäêà íåñêîëüêèõêèëîìåòðîâ ïðîèñõîäèò óñèëåíèå âðàùåíèÿ (ðèñ. 16.19). Çàòåì ýòî áûñòðîå âðàùåíèå ïåðåäàåòñÿ âíèç, âèõðåâàÿ òðóáÐèñ. 16.19êà âûòÿãèâàåòñÿ ïî÷òè äî Çåìëè, «ïîâèñàÿ» ëèøü â íåñêîëüêèõ äåñÿòêàõ ìåòðîâ íàä íåé.
Ýòî è åñòü òîðíàäî. Ñêîðîñòü âîçäóõà íà îñè òîðíàäî ìîæåò äîñòèãàòü 300 êì/÷. Èç-çà âçàèìîäåéñòâèÿ ñèëüíîãî âåòðà ñ ïîâåðõíîñòüþ Çåìëèòîðíàäî ÷àñòî ðåâóò, êàê ðåàêòèâíûé äâèãàòåëü. Íà ïðîòÿæåíèè êîðîòêîé, íåáîëåå íåñêîëüêèõ ÷àñîâ, æèçíè òîðíàäî îáëàäàåò îãðîìíîé ðàçðóøèòåëüíîéñèëîé, ñìåòàÿ âñå íà ñâîåì ïóòè.Òîðíàäî çàðåãèñòðèðîâàíû âî ìíîãèõ ðàéîíàõ ìèðà, îäíàêî èçëþáëåííîåìåñòî èõ îáèòàíèÿ ýòî öåíòðàëüíûå è þãî-âîñòî÷íûå îáëàñòè ÑØÀ, à òàêæå Àâñòðàëèÿ.  ýòèõ ðàéîíàõ âåñíîé è íåñêîëüêî ðåæå îñåíüþ ñîçäàþòñÿ âñåóñëîâèÿ äëÿ âîçíèêíîâåíèÿ ñèëüíåéøèõ ãðîç, ïîðîæäàþùèõ òîðíàäî. Ê ýòèìóñëîâèÿì îòíîñÿòñÿ êðàéíå íåóñòîé÷èâîå ðàñïðåäåëåíèå òåìïåðàòóðû è âëàæíîñòè â àòìîñôåðå, ðåçêèå õîëîäíûå àòìîñôåðíûå ôðîíòû, îáåñïå÷èâàþùèåýôôåêòèâíûé ïîäúåì âîçäóõà, è âûñîòíûå âåòðû, ñïîñîáñòâóþùèå îáðàçîâàíèþ ìåçîöèêëîíîâ.ËÅÊÖÈß 17Ñòàöèîíàðíîå òå÷åíèå íåñæèìàåìîé æèäêîñòè.
Óñëîâèå íåñæèìàåìîñòè. Ðàâíîâåñèå æèäêîñòåé è îñîáåííî ãàçîâ, ðàññìîòðåííîå â ïðåäûäóùåé ëåêöèè,ðåàëèçóåòñÿ äàëåêî íå âñåãäà. Îáû÷íî æèäêîñòü ïðè âíåøíåì âîçäåéñòâèè ïðèõîäèò â äâèæåíèå, ïðè ýòîì äàâëåíèå â æèäêîñòè è ñêîðîñòü åå ÷àñòèö ìîãóòñëîæíûì îáðàçîì ìåíÿòüñÿ îò òî÷êè ê òî÷êå.Ïîÿñíèì ñêàçàííîå ïðèìåðîì. Ïîäêëþ÷èì ãîðèçîíòàëüíóþ ñòåêëÿííóþ òðóáêó ïåðåìåííîãî ñå÷åíèÿ ïðè ïîìîùè ðåçèíîâîãî øëàíãà ê âîäîïðîâîäíîìóêðàíó (ðèñ.
17.1). Åñëè íàïîð âîäû îñòàåòñÿ ïîñòîÿííûì, òî òå÷åíèå âîäû ìîæíî ñ÷èòàòü ñòàöèîíàðíûì.  ýòîì ñëó÷àå ìàññà âîäû m, ïðîòåêàþùàÿ â åäèíèöóâðåìåíè ÷åðåç ñå÷åíèÿ ñ ïëîùàäÿìè S1 è S2, áóäåò îäèíàêîâîé, ïîýòîìó èìååòìåñòî ðàâåíñòâîm = ρ 1 v1 S 1 = ρ 2 v2 S 2 ,(17.1)ãäå ρ1, ρ2 è v1, v2 ïëîòíîñòè è ñêîðîñòè æèäêîñòè â ýòèõ ñå÷åíèÿõ.Åñëè æèäêîñòü íåñæèìàåìà (ρ1 = ρ2), òî óñëîâèå (17.1) ïåðåõîäèò â óñëîâèåïîñòîÿíñòâà îáúåìà æèäêîñòè, ïðîòåêàþùåé ÷åðåç ñå÷åíèÿ S1 è S2:V = v1 S 1 = v2 S 2(17.2)(óñëîâèå íåñæèìàåìîñòè).Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî óñëîâèÿ (17.1) è (17.2) çàïèñàíû äëÿ ñëó÷àÿ, êîãäàñêîðîñòè âñåõ ÷àñòèö æèäêîñòè â ïîïåðå÷íîì ñå÷åíèè òðóáêè îäèíàêîâû.Äëÿ ãðàôè÷åñêîãî èçîáðàæåíèÿ òå÷åíèÿ æèäêîñòè óäîáíî èñïîëüçîâàòü ëèíèè òîêà ëèíèè, êàñàòåëüíûå ê êîòîðûì â êàæäîé òî÷êå ñîâïàäàþò ñ âåêòîðîì ñêîðîñòè ÷àñòèöû (ðèñ.
17.2). Ëåãêî âèäåòü, ÷òî â ñå÷åíèè S ñêîðîñòè ÷àñòèö ðàçëè÷íû, è îáúåì ïðîòåêàþùåé æèäêîñòè ÷åðåç ýòî ñå÷åíèå íå ìîæåòáûòü çàïèñàí â âèäå (17.2).Äàëåå îòìåòèì, ÷òî ïî ìåðå ïðèáëèæåíèÿ ê ìàëîìó ñå÷åíèþ S2 ÷àñòèöà (ýëåìåíò æèäêîñòè, âûäåëåííûé íà ðèñ. 17.2), äåôîðìèðóÿñü, óñêîðÿåòñÿ (â ñîîòâåòñòâèè ñ 17.2), à ïðè óäàëåíèè îò S2 çàìåäëÿåòñÿ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
