ВОЗДУШНЫЙ ВИНТ И СИЛА ТЯГИ
Итак, мы теперь знаем, почему и как возникает у крыла подъемная сила. Последняя, как мы уже говорили, может возникнуть только при поступательном движении крыла. Но каким образом сообщить крылу (крыльям) поступательное движение?
Поступательное движение самолету и автожиру сообщается воздушным винтом, быстро вращаемым мощным мотором. Что же такое воздушный винт и как он работает?
Сейчас мы познакомимся с идеей
воздушного винта
и убедимся, что его работа по существу мало
отличается от работы крыла!
в деревнях ребята часто устраивают на воротах. Ветрянка, как было сказано, представляет собой авторотирующий, т.е. свободно вращающийся на неподвижной оси воздушный винт. Если тщательно выстрогать лопасти такого винта и жестко закрепить его на оси — круглой палочке, длина которой должна быть приблизительно
равна диаметру винта (около 15 см), то мы получим прибор (фиг. 44), представляющий собой хорошо знакомую ребятам игрушку “муху”, который позволит нам обнаружить основное свойство воздушного винта.Проделаем с нашим самодельным прибором два небольших опыта. В первом опыте расположим ось прибора между .ладонями почти горизонтально и, сильно крутнув ее, отпустим; если винт сделан правильно, то прибор с жужжанием полетит вперед и упадет в нескольких метрах от нас на землю. Из этого опыта вытекает, что при вращении винта возникает некоторая сила, которая и заставляет винт вместе с палочкой лететь вперед. Эта сила называется силой тяги (или просто тягой) винта. Тяга воздушного винта и сообщает самолету и автожиру поступательное движение.
Если же ось нашего простейшего прибора установить вертикально и запустить его прежним способом, то прибор взлетит вверх по вертикали. Очевидно, что и вверх прибор взлетает под действием той же силы тяги, но направленной теперь не горизонтально, а вертикально; так как в данном случае сила тяги винта поднимает весь прибор вверх, то она и называется обычно подъемной силой винта. Из предыдущего мы знаем, что эта сила и заставляет взлетать геликоптер.
Но почему же все-таки при вращении воздушного винта возникает сила тяги?
Дело в том, что каждая лопасть воздушного винта представляет собой как бы вырез из винтовой поверхности и, следовательно, при вращении винта лопасти его наклонены к плоскости вращения под некоторым углом.
Благодаря этому лопасти при вращении как бы загребают воздух и отбрасывают его назад (фиг. 45) или вниз, если винт вращается в горизонтальной плоскости. Отбрасывая воздух, сами лопасти испытывают давление воздуха, направленное в прямо противоположную сторону; это давление воздуха на лопасти винта и создает силу тяги (показана жирной стрелкой) или, если ось винта вертикальна, — подъемную силу. Мы сказали, что каждая лопасть воздушного винта представляет собой как бы вырез из винтовой поверхности. Сейчас мы убедимся в этом.
Возьмем цилиндр (фиг. 46) с диаметром
D, равным, скажем, диаметру сделанного нами раньше деревянного винта. Вырежем из бумаги треугольное полотнище аbа', у которого одна сторона bа' равна длине, окружности нашего цилиндра, т. е. πΞ, а другая аа'— высоте цилиндра H. Обовьем это полотнище вокруг цилиндра, как показано на фиг. 46. Тогда на поверхности цилиндра образуется так называемая винтовая линия.Теперь выделим небольшую часть этой винтовой линии — дужку
Фиг. 46. Схема построения воздушного винта
cd и из всех точек ее опустим на ось цилиндра 00' перпендикуляры. Таким образом мы получим приближенное очертание и форму лопасти воздушного винта.
Всякий винт (например металлический шуруп) имеет свой шаг. Шагом, или ходом, винта называется то расстояние по оси вращения, которое винт проходит за один полный оборот в своей гайке.
Шагом воздушного винта называется, следовательно, его движение по оси 00' на расстояние Н, которое он проходит за один свой полный оборот вокруг этой оси (фиг. 46). Такой шаг воздушного винта называется теоретическим или расчетным; на практике же (например при полете самолета) шаг воздушного винта меньше расчетного, так как за полный свой оборот винт вследствие податливости воздуха подвигается на расстояние несколько меньшее, чем ему полагалось бы. Это явление называется скольжением воздушного винта.
Угол, под которым лопасть при вращении встречает воздух, называется углом наклона. Как видно из фиг. 46, этот угол увеличивается к оси винта, следовательно у нашего винта угол наклона не постоянный; иными словами, различные сечения лопасти винта встречают воздух под различными углами.
Шагом схематически построенного нами винта будет, как сказано, величина Н — высота нашего цилиндра. Такой шаг будет не только у дужки cd, но и у всех других сечений (дужек) лопастей нашего винта. Такой винт называется винтом с постоянным шагом. В настоящее время чаще строят винты с постоянным шагом.
Какова форма лопастей воздушного винта? Если бы воздушные винты на самом деле строили так, как показано на схеме фиг. 46, то такие винты имели бы лопасти в виде
изогнутых пластинок. Первые воздушные винты приблизительно такую форму и имели. Однако такая форма лопастей невыгодна по тем же причинам, по которым невыгодно крыло, имеющее вид пластинки. Поэтому лопасти воздушных винтов делают теперь так, чтобы в любом месте их сечение (дужка) имело обтекаемую форму, т. е. ту форму, какую имеет профиль крыла.
Воздушный винт (фиг. 47) состоит из
ступицы и лопастей. Ступицей (или матрицей)
называется центральная часть винта, в
которой помещается металлическая втулка,
скрепляющая винт с осью вращения, т. е.
обычно с валом мотора. Как действуют
лопасти, мы сейчас разберем, а пока заметим,
что переднее ребро лопасти, т. е. то, которым
она рассекает воздух,
называется ребром атаки, а заднее — ребром
обтекания. Рассмотрим действие воздушного
винта, схематически изображенного на фиг. 48.
Предположим, что диаметр этого
винта 3,5 м, а скорость вращения — 1500 об/мин.
Если взять сечение лопасти, отстоящее
от оси вращения, скажем, на
1,5 м, то окружная скорость
этого сечения, как нетрудно вычислить,
будет равна 850 км/час.
Этот пример говорит о том, что
лопасти воздушного винта при
вращении встречают воздух с
огромной скоростью, значительно большей
даже, чем крыло самолета при его
поступательном
движении. А так как при этом
лопасти винта наклонены к плоскости
вращения, то, следователь
но, каждая лопасть испытывает
огромное давление воздуха, т. е.
находится примерно в таких же
условиях, как и крыло самолета.
Именно вследствие огромной скорости, с которой каждая лопасть винта загребает воздух, под лопастью получается повышенное давление воздуха, а над ней — пониженное; в результате этого, как мы знаем, должна возникнуть сила сопротивления или давления воздуха на лопасть.
Фиг. 49. Тяга воздушного винта есть сумма тяг всех отдельных элементов лопастей винта
Обозначим силу давления воздуха
на некоторое сечение лопасти
(т. е. на один элемент лопасти) буквой
мы это делали с крылом, по правилу параллелограмма на две силы:
по направлению оси винта и перпендикулярно ей — в плоскости
вращения. Тогда получим две силы f — силу тяги взятого
элемента лопасти и q — силу лобового сопротивления этого элемента лопасти, или, как ее в этом случае называют, силу торможения.
Окружная скорость различных сечений лопасти различна: чем ближе находится сечение к оси вращения, тем меньше, естественно, и его окружная скорость. Поэтому и давление воздуха, испытываемое различными сечениями — элементами лопасти, будет различно. Различны, следовательно, будут и силы тяги, создаваемые различными элементами лопасти. Но так как все отдельные силы тяги, развиваемые всеми элементами обеих лопастей, т. е. всего винта, направлены вдоль оси винта, то, складывая их по правилу сложения параллельных сил, мы получим общую силу тяги винта Ф (фиг. 48 и 49
).