Landsberg-1985-T1

жется по более крутой линии (сплошная линия). Встречный

поток воздуха направлен относительно цилиндра вверх, а

цилиндр вращается по часовой стрелке; поэтому возника­ ющая подъемная сила F направлена справа налево.

Возникновение подъемной силы связано с наличием I<PYfOBOfO движения потока воздуха около обтекаемого

тела; это круговое движение, налагаясь на общий поток,

создает разницу в скоростях потока с двух сторон тела,

благодаря чему и создается разность давлений, обусловли­

вающая подъемную силу. Круговое движение потока во­ круг тела называется циркуляцией. В эффекте Магнуса цир­

I<УЛЯЦИЯ, а следовательно, и подъемная сила возникают

благодаря вращению цилиндра. В других случаях цирку­ ляция может быть вызвана не вращением тела, а иными при­

чинами. Для возникновения подъемной силы важно только,

чтобы ПОТОI<, обтекающий тело, имел циркуляцию. Тогда

распределение скоростей всегда будет такое, что образую­

щаяся разность давлений создаст силу, направленную

перпендикулярно к потоку.

§ 192. Подъемная сила крыла и полет самолета. Рассмотрим теперь обтеI{ание потоком воздуха крыла самолета. Опыт

показывает, что, когда крыло помещено в ПОТQI{ воздуха,

вблизи острой задней

~~ кромки крыла возника-

эти растут, отрываются

от крыла и уносятся потоком. Остальная масса воздуха вбли­

зи крыла получает при этом противоположное вращение (по

часовой стрелке), образуя циркуляцию около крыла (рис.

346). Накладываясь на общий поток, циркуляция обуслов­ ливает распределение линий тока, изображенное на рис. 347.

372

Мы получили для профиля крыла такую же картину обтекания, как и для вращающегося цилиндра. И здесь на общий поток воздуха наложено вращение вокруг крыла­

ЦИРКУЛЯЦИЯ. Только, в отличие от вращающегося цилиндра,

здесь циркуляция возникает не в результате вращения

тела, а благодаря возникновению вихрей вблизи острого

края крыла. ЦИРКУЛЯЦИЯ ускоряет движение воздуха над

крылом и замедляет его под крылом. Вследствие этого над

крылом давление понижается, а под крылом повышается.

Равнодействующая F всех сил, действующих со стороны

потока на крыло (ВК,'Iючая силы трения), направлена вверх и немного отклонена назад (рис. 341). Ее составляющая, перпендикулярная к потоку, представляет собой подъем­

ную силу F1 , а составляющая в направлении потока­

силу лобового сопротивления Р2• Чем больше скорость

набегающего потока, тем больше и подъемная сила и сила

лобового сопротивления. Эти силы зависят, кроме того, и ОТ формы профиля крыла, и от угла, под которым поток набегает на крыло (угол атаки), а также от плотности набегающего потока: чем больше плотность, тем больше и эти силы. Профиль крыла выбирают так, чтобы оно давадо возможно большую подъем­

душный винт самолета, вращаемый двигателем, или реак­

ция струи реактивного двигателя, сообщает самолету такую

скорость, что подъемная сила крыла достигает веса само­

лета и даже превосходит его. Тогда самолет взлетает. При равномерном прямолинейном полете сумма всех сил, дей­ ствующих на самолет, равна нулю, как и должно быть сог­ ласно первому закону Ньютона. На рис. 348 изображены силы, действующие на самолет при горизонтальцом полете

с постоянной скоростью. Сила тяги двигателя f равна по

модулю и противоположна по направлению силе лобового сопротивления воздуха Ра для всего самолета, а сила

373

тяжести Р равна по модулю и противоположна по направ­

.пению подъемной силе F1 •

Самолеты, рассчитанные на полет с различной скоростью, имеют различные размеры КРl;>Iльев. Медленно летящие тран­

спортные самолеты должны иметь большую площадь крыль­

ев, так как при малой скорости подъемная сила, приходя­

щаяся на единицу площади крыла, невелика. Скоростные

Рис. 349. СУДНО на ПОДВОДНЫХ крыльях

же самолеты получают достаточную подъемную силу и от

крыльев малой площади. Так как подъемная сила крыла

уменьшается при уменьшении плотности воздуха, то для

тполета на большой высоте само-

лет должен двигаться с большей

скоростью, чем вблизи земли.

Подъемная сила возникает и в

том случае, когда крыло движется в

воде. Это дает возможность строить

Рис. 350. Схема вертолета суда, движущиеся на подводных

крыльях. Корпус таких судов во

время движения выходит из воды (рис. 349). Это уменьшает

сопротивление воды движению судна и позволяет достичь

большой скорости хода. Так как плотность воды во много раз больше. чем плотность воздуха, то можно получить

достаточную подъемную силу подводного крыла при срав­

нительно малой его площади и умеренной скорости.

Назначение самолетного винта - это придание само­ лету большой скорости, при которой крыло создает

подъемную силу, уравновешивающую вес самолета. С этой целью винт самолета укрепляют .на горизонтальной оси.

Существует тип летательных аппаратов тяжелее воздуха. ДЛЯ которого крылья не нужны. Это - вертолеты (рис. 350).

~4

В вертолетах ось воздушного винта расположена вертикаль­

но и винт создает тягу, направленную вверх, которая и

уравновешивает вес вертолета, заменяя подъемную силу

крыла. Винт вертолета создает вертикальную тягу незави­ симо от того, движется вертолет или нет. Поэтому при работе

воздушных винтов вертолет может неподвижно висеть в

воздухе или подниматься по вертикали. Для горизонталь­

ного перемещения вертолета необходимо создать тягу,

направленную горизонтально. Для этого не нужно устанав­ ливать специальный винт с горизонтальной осью, а доста­

точно только несколько изменить наклон лопаСтей верти­

кального винта, что выполняется при помощи специального

с большого расстояния на дым, выходящий из фабричной трубы и уносимый ветром, мы видим сплошную струю, рав­ номерно вытекающую из отверстия трубы и вытягивающую­

ся по направлению ветра. Дым делает видимым движение воздуха, и издали, когда мелкомасштабные движения не

видны, представляется, что оно происходит плавно, в виде

отдельных струй. Одной из таких струй 11 является дьшная

полоса.

Теперь приблизимся к трубе и присмотримся вниматель­

нее к деталям движения воздуха в дымной струе. Мы увидим

беспорядочные клубы дыма, перемешивающиеся \1ежду со­

бой; клубящаяся масса и уносится в виде струи набегаю­ щим потоком ветра. Издали было видно только это общее

регулярное движение; вблизи обнаруживается, что отдель­

ные участки струи совершают еще и беспорядочные движе­

ни я то в одну, то в другую сторону, то перегоняя струю,

то отставая от нее. Это явление - наличие в потоке беспо­

рядочных движений участков среды - называют mурбу­

Аеflmflосmью потока.

Благодаря турбулентности происходит пеРб1ешивание

потока. Например, в дымной струе беспорядочные движе­

ния воздуха переносят частицы дЫма во все стороны; струя

расширяется и на большом расстоянии от трубы оказы­ вается размытой. Этот результат турбулентности виден и

на большом расстоянии.

.. ) Небольшой винт с горизонтальной осью. работающий во время

полета вертолета. служит только для того, чтобы корпус вертолета ие стал вращаться в сторону, обратную вращению винта с вертикальной

осью.

375

Турбулентность - весьма распространенное явление.

При ветре движение воздуха всегда турбулентно. При

движении тела в воздухе позади него образуется турбу­

лентный след; явление особенно сильно выражено для тел,

плохо обтекаемых встречным потоком; с этим связано и

большое значение силы сопротивления для таких тел

(§ 190). Турбулентно и теченпе воды в pel<e, и движение

воды в водопроводных трубах и т. д. Турбулентность в по­

токе ЖИДI{ОСТИ или газа может отсутствовать только при

определенных условиях (см. следующий параграф).

Чтобы непосредственно наблюдать турбулентность,

нужно сделать видимым движение потока воды или возду­

ха. В воздухе это легко осуществить при помощи дыма.

РИС. 351. Турбулентное ДВИЖСIJ,ие воды

в воде можно применить подкрашивание струек какой­

нибудь Iфаской или чернилами. Если, например, пропу­ с!{ать быстрый поток воды по стеклянной трубке и ввести в

трубку тонкую трубочку, через которую подавать струйку чернил, то расплывание струйки укажет на турбулентность

(рис. 351).

§ 194. Ламинарное течение. Будем уменьшать скорость

потока воды в опыте, описанном в конце предыдущего па­

раграфа. Мы увидим, что, начиная снекоторой СКОРОС1И.

~{~~~~Z2I22IIIJ//JJJJJ7ZZ////ZZ//Z7J7ZZZZZlZ

.ю: \S\:' :

V?ZI2/2I}/2ZIZI2Z7IJII222ZZZIZII)IIZZlZIIIZZZIIIZI7ZIZZ~

Рис. 352. J]аминарное движение воды

чернильная струйка перестанет расплываться и вытянется

вдоль стеклянной трубки (рис. 352). Значит, при малой

скорости течения турбулентность потока исчезает и дви-

376

•

РАЗДЕЛ ВТОРОй

ТЕПЛОТА. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

r л а в а Х. ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ

ТВЕРДЫХ И ЖИДКИХ ТЕЛ

§ 195. Тепловое расширение твердых и жидких тел. Простые опыты и наблюдения убеждают нас, что при повышении

температуры размеры тел немного увеличиваются, а при

охлаждении - уменьшаются до прежних размеров. Так, например, сильно разогретый болт не входит в резьбу, в ко­ торую он свободно входит, будучи холодным. Когда болт

охладится, он снова входит в резьбу. Телеграфные провода

В жаркую летнюю погоду провисают заметно больше, чем

Рис. 353. При нагревании электрическим током проволока удлиняется

ипровисает; по выключении тока она принимает прежнее положение

во время зимних морозов. Увеличение провисания, а сле­

довательно, и длины натянутых проволок при нагревании

легко воспроизвести на опыте, изображенном на рис. 353.

Нагревая натянутую проволоку электрическим током, мы

видим, что она заметно провисает, а по прекращении на­

гревания снова натягивается.

При нагревании увеличиваются не только длина тела,

НО также и другие линейные размеры. Изменение линей­

ных размеров тела при нагревании называют линейным

расширением.

Э78

Если однородное тело (например, стеклянная трубка)

нагревается одинаково во всех частях, то оно, расширяясь,

сохраняет свою форму. Иное происходwr при неравномер­ ном нагревании. Рассмотрим такой опыт. Стеклянная

трубка расположена горизонтально, и один ее конец за­

креплен. Если трубку нагревать снизу, как показано на рис. 354, то верхняя ее часть остается вследствие плохой

теплопроводности стекла более холодной; при этом трубка

__ ---:::::::-::::-:t t

----~~~~~=~~-----

Рис. 354. Стеклянная труБКа при нагревании ее снизу заметно изги­

бается вверх

изгибается кверху. Легко понять, что нижняя половина изогнутой трубки сжата, так как она не может расширяться в той мере, в какой расширялась бы, если бы не составляла одно целое с верхней половиной. Верхняя половина, наобо­

рот, растянута.

Таким образом, при неравномерном нагревании тел в них

возникают напряжения, которые могут повести к их разру­

шению, если напряжения сделаются слишком большими.

Так, стекЛянная посуда в первый момент, когда в нее налита

горячая вода, находится в напряженном состоянии и иногда

лопается. Это происходит вследствие того, что сперва

прогреваются и расширяются внутренние части, которые

ирастягивают при этом внешнюю поверхность посуды.

Такого напряжения при нагревании можно избежать, если

взять посуду со столь тонкими стенками, что они быстро прогреваются по всей толщине (химическая посуда).

По сходной причине лопается обычная стеклянная по­

суда, если пытаться греть в ней жидкости на огне или на электрической плитке. Существуют, однако, специальные сорта стекла (так называемое кварцевое стекло, содержащее

до 96 % кварца, Si0 2) , которые расширяются при нагрева­

нии настолько мало, что напряжения при нераВfiомериом

нагревании посуды, сделанной из такого стекла, не опасны. Е кастрюле из кварцевого стекла можно КИПЯ11IТЪ воду.

37'

•

Линейное расширение различных материалов при одном

и том же повышении температуры различно. Это видно, на­

пример, из такого опыта: две разнородные пластинки (на­ пример, железная и медная) склепывают между собой в

нескольких местах (рис. 355, а). Если при комнатной тем­

пературе пластинки прямые, то при нагревании они искри­

вятся, как изображено на рис. 355, б. Это показывает, что

медь расширяется в большей мере, чем железо. Из этого

опыта следует таюке, что при изменениях 1'емпературы тела,

состоящего из нескольких различно расширяющихся ча­

стей, в нем тоже появляются внутренние напряжеНIIЯ. В опы­

те, изображенном на рис. 355, медная пластинка сжата, а

железная - растянута. По причине неодинаКОI30ГО расши­

рения железа и эмали возникают напряжения в эмалиро­

ванной железной посуде; при сильном нагреве эмаль иногда

отскакивает.

Напряжения, появляющиеся в твердых телах вследст­

вие теплового расширения, могут быть очень большими. Это необходимо принимать во внимание во многих областях

техники. Бывали случаи, когда части железных мостов,

склепанные днем, охлаждаясь ночью, разрушались, сры­

вая многочисленные заклепки. Во избежание подобных явлений, принимают меры к тому, чтобы части сооружени й

при изменении температуры расширялись или сжимались

свободно. Например, железные паропроводы снабжают

пружинящими изгибами в виде петель (компенсаторы,

рис. 356).

Увеличение линейных размеров сопровождается уве­ личением объема тел (обммн.ое рш::tuuрен.uе тел). О линей­ ном расширении жидкостей говорить нельзя, так как жид­ кость не имеет определенной формы. Объемное же расшире-

Э80

иие жидкостей нетрудно наблюдать. Наполним колбу

ПОДI{рашенной водой или другой жидкостью и заткнем ее пробкой со стеклянной трубкой так, чтобы жидкость вошла

в трубку (рис. 357, а). Если к колбе поднести снизу сосуд

с горячей водой, то в первый момент жидкость в трубке опустится, а затем начнет подниматься (рис. 357, б и 8).

Понижение уровня жидкости в первый момент УI<азы­

вает на то, что сперва расширяется сосуд, а жидкость еще

не успела прогреться. Затем прогревается и жидкость.

/

/

/

/

//

Повышение ее уровня показывает, что жидкость расширя­ ется в большей мере, чем стекло. Различные жидкости рас­

ширяются при нагревании по-разному: например, керосин

расширяется сильнее, чем вода.

Если жидкость нагревается в замкнутом сосуде, кото­

рый препятствует ее расширению, то в ней, так же как и в

твердых телах, появляются огромные напряжения (силы

давления), действующие на стенки сосуда и могущие их разрушить. Поэтому системы труб водяного отопления

всегда снабжаются расширительным баком, присоединенным к верхней части системы и сообщающимся с атмосферой

381