Г л ав а II
АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛЕТА АВТОЖИРА
ЗАКОН СОПРОТИВЛЕНИЯ ВОЗДУХА
Теперь читатель имеет представление об автожире и о том, как он был создан и как совершенствовался. Но как же устроена эта оригинальная машина? Почему и как она летает? Чтобы перейти к разбору этих вопросов, надо предварительно познакомиться с теми силами, под действием которых автожир взлетает и летит.
Какие же это силы и как они возникают?
Автожир, как и всякая другая летательная машина, движется в воздухе. Воздуха мы не видим, но знаем, что он представляет собой газ, имеющий определенный вес и, следовательно, определенную плотность. Каждому, например, известно, что движущийся воздух — ветер — может двигать парусные суда или вращать крылья мельниц. Отсюда ясно, что в этих случаях паруса судов и крылья мельниц испытывают давление воздуха, т. е. находятся под действием каких-то воздушных сил.
Однако эти воздушные силы возникают и в тех случаях, когда сам воздух неподвижен, а движется находящееся в нем тело. В самом деле, кто не знает, что при быстром беге, езде на коньках, на велосипеде и т. д. воздух так сильно давит на нас, что мешает нам двигаться. Следовательно, и здесь возникают какие-то воздушные силы.
Давно доказано, что в обоих приведенных случаях воздушные силы будут одни и те же, если только скорость воздушных частиц, набегающих на тело, в обоих случаях будет одинакова. Иными словами, воздушные силы будут одинаковы как в том случае, если тело неподвижно, а движется воздух, так и в том, когда воздух неподвижен, а движется тело с той скоростью, с которой раньше двигался воздух.
Сила, с которой воздух давит на двигающееся в нем тело
,называется силой сопротивления воздуха.
Ясно, что для преодоления этой силы нужно затратить равную
и силу, но направленную в прямо противоположную сторону.
Движение тел под действием различных сил исследуется наукой — динамикой (часть механики). Движение же тел в воздухе исследуется аэродинамикой. Основным законом аэродинамики является закон сопротивления во з д у х а. Этот закон совершенно ясно и точно объясняет, от чего зависит и как сказывается сила сопротивления воздуха. На законе сопротивления воздуха основан полет насекомых, птиц и всех летательных машин. Ясно, следовательно, что для понимания устройства и полета автожира необходимо знать закон сопротивления воздуха.
Фиг. 30. Схема аэродинамической трубы
Закон сопротивления воздуха выведен в результате опытов. Он гласит, что сопротивление воздуха, встречаемое движущимся в нем телом, прямо пропорционально плотности воздуха, наибольшему поперечному сечению тела и квадрату скорости тела, зависит от формы тела и от положения тела относительно направления движения.
Таким образом, если плотность воздуха увеличится, скажем, в три раза, то и сопротивление его увеличится в три раза; если площадь наибольшего поперечного сечения тела увеличится в три раза, то и сопротивление воздуха увеличится в три раза; если же скорость тела увеличится в три раза, то сопротивление воздуха увеличится уже не в три, а в девять раз.
В законе сказано еще, что сопротивление воздуха зависит от формы тела и от положения тела относительно направления движения. Так как эти два условия особенно важны для по нимания полета всякой летательной машины, остановимся на них несколько подробнее.
При движении тела воздух, подобно жидкости, обтекает тело со всех сторон. Картина обтекания тела воздухом называется спектром обтекания или аэродинамическим спектром. Спектры обтекания воздухом тел различной формы изучаются в специальном приборе, который называется аэродинамической трубой.
Аэродинамическая труба представляет собой канал, слегка суживающийся к одному концу (фиг. 30). В одном конце трубы установлен мощный вентилятор (воздушный винт) О, приводимый в быстрое вращение электрическим мотором. Когда вентилятор начинает работать и высасывать воздух из трубы, в ее канале
образуется воздушный поток, т. е. ветер. В зависимости от диаметра трубы, диаметра воздушного винта и мощности мотора можно получить различнее скорости воздушного потока. Помещая в этом потоке тела различной формы, получают
Фиг. 31. Обтекание воздухом пластинки
спектры обтекания. Для того чтобы можно было видеть картину обтекания тел воздухом, последний подкрашивают специальным порошкообразным веществом; это позволяет не только видеть картину обтекания, но даже и фотографировать ее.
На фиг. 31
показан спектр обтекания плоской пластинки,
поставленной под углом 90° к направлению
воздушного потока,
который набегает на нее слева направо (или,
что одно и то же,
воздух неподвижен, а пластинка движется
справа налево). О чем
же говорит этот спектр?
На спектре мы видим сжатие воздушных струй впереди пластинки и завихрения сзади нее. Дело в том, что впереди пластинки получается повышенное давление, а сзади нее — пониженное; ясно, что воздух из области повышенного давления устремляется в область пониженного, вследствие чего сзади пластинки и получаются завихрения или вихри.
Разность давлений впереди и позади пластинки ведет к тому, Что пластинку как бы засасывает в направлении, обратном ее движению, что, разумеется, мешает ей вращаться. Иными словами наша пластинка встречает большое сопротивление воздуха. Следовательно, чем больше завихрений сзади тела, тем большее сопротивление воздуха оно встречает.
Фиг. 32. Обтекание воздухом цилиндра
Если взять не пластинку а цилиндр который будет двигаться с той же скоростью, что и пластинка то воздух будет обтекать цилиндр уже более плавно (фиг. 32) и завихрений сзади будет меньше. Отсюда можно заключить, что сопротивление цилиндра меньше, чем пластинки (при равных площадях пластинки и наибольшего поперечного сечения цилиндра).
Фиг. 33, Тело наиболее обтекаемой формы
Фиг. 34. Обтекание воздухом одного и того же тела, но с разной кормой, за острой кормой завихрений почти нет
Из всех тел наименьшее сопротивление воздуха встречают тела, подобные по форме телу, изображенному на фиг. 33. При этом особенно важно, чтобы задняя часть тела (корма) была более плавно заострена, чем передняя. На фиг. 34 показано обтекание воздухом одного и того же тела, ко с тупой и с острой кормой; нетрудно видеть, что во втором случае завихрений почти нет.
Итак, малое сопротивление воздуха встречает тело такой формы при которой встречный воздух плавно, почти без завихрений обтекает тело. Тела такой формы называются поэтому удобообтекаемыми, или просто обтекаемыми (фиг. 33). Отсюда понятно, почему крыльям, корпусу и по возможности всем наружным частям летательных машин стараются придавать наиболее обтекаемую форму.
