ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Теория подъемной силы из "Аэродинамика " Как я уже говорил в главе I, между теоретическими расчетами и фактическими наблюдениями, касающимися величины подъемной силы наклонной поверхности, существовало глубокое расхождение. Я также указал, что во время первого полета человека не существовало теории, которая бы объясняла поддержание, полученное с помощью кривой поверхности при пулевом угле наклона хорды крыла. По-вндн-мому, математическая теория движения жидкости не могла объяснить основные факты, обнаруженные экспериментальной аэродинамикой. [c.39] Однако существовали теоретические результаты и эмпирические наблюдения, сделанные независимо от задачи полета летательного аппарата, которые фактически привели к точному пониманию явления аэродинамической подъемной силы. [c.39] В 1878 году лорд Рэлей, о котором мы уже упоминали, изучал течение вокруг кругового цилиндра [1]. Он установил, что если цилиндр омывается параллельным равномерным течением или равномерно движется через жидкость в состоянии покоя, то применима теорема Даламбера, и не существует силы, действующей на цилиндр. Но наложение циркуляционного течения на параллельное равномерное течение создает силу, перпендикулярную нанравлепню первоначального течения, или перпендикулярную направлению движения цилиндра. Этот результат использовали для объяснения так называемого эффекта Магнуса, который был хороню известен артиллеристам с начала девятнадцатого века. Это явление также понимали игроки в теннис и неуклюжие игроки в гольф. Собственно говоря, Рэлей предпринял исследование, чтобы пролить свет на отклоняющийся полет срезанного теннисного мяча. [c.39] Объяснение этого явления сравнительно простое. Начнем с теоремы Даниила Бернулли (1700-1782), которая утверждает, что в течении несжимаемой жидкости, если в данную минуту не учитывать силу тяжести и влияние трения, сумма гидростатического напора и скоростного напора постоянна вдоль линии тока. Гидростатический напор потока — это высота столба жидкости, которая в состоянии покоя создала бы посредством своего веса давление, измеренное в течении. Скоростной напор — это высота столба жидкости, которая создала бы ту же скорость потока через отверстие, расположеппое на дпе столба. Например, если несжимаемая жидкость протекает через горизонтальную трубу с неременным поперечным сечением, тогда, поскольку та же самая масса жидкости должна пройти через все поперечные сечения, в большем поперечном сечении скорость окажется меньше, а в меньшем поперечном сечении выше. Теперь из теоремы Бернулли следует, что там, где скорость выше, давление ниже, и наоборот. Теорему Бернулли можно рассматривать как выражение закона сохранения энергии. Ее можно истолковать как взаимный обмен между потенциальной и кинетической энергией. [c.40] Вторым человеком был немецкий математик М. Вильгельм Кутта (1867-1944) он начинал как чистый математик, но затем заинтересовался экспериментами полета на планерах Отто Лилиенталя, и, следовательно, аэродинамической теорией. Его конкретная цель состояла в понимании влияния кривизны — почему расположенная горизонтально кривая поверхность создает положительную подъемную силу. В 1902 году он опубликовал статью по этой теме [4]. [c.43] Наконец, третий человек, которого следует назвать — это Николай Егорович Жуковский, о котором уже говорилось ранее. Он прошел обширный курс обучения математике и физике, сначала в России и нозже — в Париже. В 1872 году он стал профессором механики в Политехническом институте и в 1886 году — в Московском университете. У него были широкие интересы в области теоретической и прикладной механики. В период с 1902 по 1909 годы, независимо от Кутта и Лап-честера, он разработал математическое обоснование теории подъемной силы, по крайней мере, для двумерного течения, т. е. для крыльев бесконечного размаха и постоянного профиля [5]. Как уже говорилось в главе I, он также сыграл важную роль в развитии методов аэродинамических исследований в своей стране. [c.43] Каждый из этих трех людей признавал связь между аэродинамической подъемной силой и циркуляционным движением. Однако для того, чтобы получить ясное иредставление о теории подъемной силы, мы должны кратко рассмотреть основные понятия механики жидкостей и газов. [c.44] Если мы хотим описать динамику элемента жидкости в течении, то можно показать, что в наиболее общем случае она состоит из перемещения, вращения и деформации (рис. 17). В теории механики жидкостей движением жидкости мы называем потенциальное течение или безвихревое течение, в котором вращение равно нулю, так что элемент только переносится и деформируется тогда как если элемент еще и вращается, то мы называем течение вращающимся потоком или вихревым течением. Термин потенциальное течение возник из математического понятия потенциала скоростей. [c.44] Таким образом, мы можем объяснить явление подъемной силы, если вокруг тела действительно сугцествует циркуляция. Для читателя, которому нравится мыслить математическими или геометрическими терминами, отмечу, что он может обобгцить определение циркуляции, взяв среднее значение касательной составляющей скорости вдоль произвольной замкнутой кривой, окрз жающей тело, и умножив его па длину дуги этой кривой. Если течение безвихревое, то это произведение имеет одинаковое значение, независимое от выбора кривой. Таким образом, мы имеем общее определение циркуляции, обобщенное на основе циркуляционного течения с круговыми линиями тока. Если мы возьмем замкнутую кривую, которая не охватывает тело, но окружает только жидкость, то циркуляция вокруг кривой будет равна нулю. [c.48] Для задачи подъемной силы, касающейся крыла бесконечного размаха постоянного профиля, мы допускаем, что течение вокруг крыла является безвихревым. Тогда вычисление подъемной силы сводится к определению величины циркуляции как функции скорости и функции формы профиля крыла. [c.48] что эта точка зрения изменяет всю физическую картину относительно подъемной силы. В прежние времена инстинктивное впечатление состояло в том, что воздух сталкивается с наклонной поверхностью крыла, и поэтому самолет поддерживается воздухом внизу. Теперь мы видим, что крыло самолета, по крайней мере, частично нод-вегпивает пли всасывает воздух, проходящий вдоль его верхней поверхности. Фактически, влияние на общую подъемную силу отрицательного давления или всасывания, созданного на верхней поверхности, больше, чем влияние положительного давления на нижней поверхности. [c.51] Явление срыва потока в основном зависит от вязких воздействий, которыми пренебрегают в теории циркуляции подъемной силы. У пас все еще пет надежной теории, предсказывающей угол, при котором происходит срыв потока, или картину потока вокруг крыла, когда оно находится под закритическим углом атаки. Однако мы знаем некоторые средства, которые эффективны не для полного предотвращения срыва потока, а для его отсрочки. Такие средства называются устройствами для увеличения подъемной силы. [c.55] Система свободных вихрей порождает ноле скоростей, называемое полем индуцированных скоростей, в котором каждый составляющий вихрь с горизонтальной осью вызывает вихревое движение воздуха. Для нас особый интерес представляет вертикальная составляющая скорости в этом ноле, которую мы называем скосом потока. В соответствии с общими принципами механики, каждая сила, действующая на тело, движущееся но воздуху, должна иметь свой аналог в количестве движения, сообщенного воздуху. Таким образом, подъемная снла вызывает движение воздуха вниз позади самолета это и есть скос потока. В то время как самолет продолжает двигаться, вниз выталкиваются новые воздушные массы, и количество движения, созданное в единицу времени, равно подъемной силе. [c.57] Вернуться к основной статье