Text
532
М52
УДК 532.5(023)
КНИГЕ ИЗЛОЖЕНЫ а
Т7 НЕСПЕЦИАЛИСТОВ <ф©5>^2’"Ной
@<gKKs){3MlbJD2 законы ГИДро?
ДИНАМИКИ? которые ИЛЛЮСТРИРУЙ^
^DO^F^MGASWWbDC^^ ^Я
ПРИМЕРАМИ 9 И ИЗ ОКру-
\Хредй НИХ ПОЛЕТ птиц
и СИВ&РЕ'гПЬО БЫСТРОГО ПЛАВЕН
дельринов, гидротурбины
и АТОМНЫЕ МАГНИТОГИДРОДИНАМм
ЧЕСКИЕ ГвМВ^£1?@[?[Ь0
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА , РАБОТАЮЩИЕ
БЕЗ парового
ЛЯ,многих
ЧИТАТЕЛЕ И особым
могут
ПРЕДСТАВИТЬ
К БИСПОЛЬЗОВАВШ ИЕСЯ
РАНЕЕ возможности
^1ЖИ®
<
ц 30211-067
М202(04)-76 ,59'75
©та@еяЯШ) ним ,
ЛЫЖНЫЙ ТРАМПЛИН С ВОЗДУШНОЙ
, РЕЧНАЯ пере ПРАВА
ПО ГИБКОМУ ПОМОСТУ и &0<е>Bfe>D0>о,
СПОРТА - БЕГ 00 ТОНКОМУ ЛЬД^'
с Издательство «Технжа», J976 г
U-WCAWH
РАСШИРИТ с|Оу| КРУГОЗОРj ЮНОМУ КНИГА
2?*о**т ЬЫвРАТк СВОЮ БУДУЩЕЮ
K^Og(g(£K]CO.
v?mvL>D?ci много Различна
тересных наук. Каждая из ни *
СИТ свой вклад в дело человеч Вн°'
прогресса. И нет ни одной бе5Ск°го
рой можно обойтись. И в эТомЛ
ле все науки равны.
Ученые различных с~
стей увлеченно работают Ка
в своей области. Годы упорного-
да венчаются великолепными
крытиями, поражения сменяются
бедами. И, наверное, каждый (
тает свою науку, свою проблему
мой интересной и самой '
Без такой убежденности
ли смогли бы найти в себе си?"
преодолеть те трудности, котопы!
расставлены природой на пути к е
секретам. е
А как относятся к различным на-
укам люди, которые только готовят-
ся вступить в них? Их отношение от-
части формируется благодаря зна-
ниям, полученным в школе, отчасти
благодаря научно-популярным кни-
гам, газетным и журнальным стать-
ям или кинофильмам.
И вот здесь наступает неравен-
ство наук. В то время, как одним
наукам посвящаются книги, кино-
фильмы, и они одеваются ореолом
романтики, славы, другие остаются
в тени. К последним относится гид-
J K<JTO-
1 сМыс-
"ец',а-1ьно-
’• Ка>кДь1й
^ихолепными
1 По-
счи-
У са-
важной.
°?и едва
роаэродинамика — наука о движе-
нии жидкостей и газов. Это обстоя-
тельство тем более удивительно, что
объекты, изучаемые этой наукой, мы
встречаем на каждом шагу. И сами
мы, и все, что нас окружает, дви-
жется либо в воздухе (птицы, авто-
мобили, самолеты), либо в воде
(рыбы, дельфины, подводные и над-
водные суда). Человеку приходится
изучать воздушные и морские тече-
ния, приливные и ветровые волны,
движение нефти и газа в тысячеки-
лометровых трубах, течение кр°ви
в микроскопических кровеносных со-
судах.
Но если все знают, что
или корабль на подводных *P**?Sj
своими качествами обязаны
жениям гидроаэродннамикн*
6
многим известно, что задачу о входе
космического летательного аппарата
в атмосферу Земли или другой пла-
неты также решают гидродинамики.
Создание ракетного двигателя мощ-
ностью 15 млн. кВт, способного вы-
рвать человека из тяжелых объятий
Земли,— это не только успех кон-
структоров, металлургов, химиков,
но и аэродинамиков. И если со вре-
менем человек создаст управляемую
термоядерную реакцию, то в этом
будет заслуга не только физиков,
но и гидродинамиков.
Гидромеханика, как всякая нау-
ка, возникла и развивается в соот-
ветствии с потребностями практики.
Отвечая запросам древних корабле-
строителей, Архимед (287—212 гг.
до н. э.) сформулировал законы
плавания и устойчивости плаваю-
щих тел. Строительство каналов,
плотин, шлюзов, фонтанов, дальней-
шее развитие судостроения и море-
плавания в XVII—XVIII вв. служи-
ло серьезным стимулом для разви-
тия гидромеханики. Именно в это
время появились фундаментальные
работы членов Петербургской ака-
демии наук Д. Бернулли (1700—
1782) и Л. Эйлера (1707—1783).
Бернулли ввел термин «гидродина-
мика», и его книга, вышедшая
в свет в 1738 г., так и называлась.
Эйлер вывел общие уравнения дви-
жения невязкой жидкости, которы-
ми мы пользуемся и в настоящее
время.
Зарождение и развитие авиации
в конце XIX и начале XX вв. обу-
словило расширение работ по аэро-
динамике летательных аппаратов.
И здесь прежде всего следует
упомянуть профессора Н. Е. Жуков-
ского (1847—1921), которого
В. И. Ленин назвал «отцом русской
авиации». Формулы и профили Жу-
ковского и теперь играют большую
роль в аэродинамике.
Жажда знаний — врожденное
чувство, и оно всегда побуждало че-
ловека к поискам истины, к позна-
нию сущности явлений, часто опере-
жая технические возможности и
практические запросы общества.
Какой прекрасный и удивительный
мир открывается глазам художника,
поэта, писателя Но он окажется
еще прекраснее и удивительнее,
если вы посмотрите на него глазами
ученого. Так, парящая в небе птица
расскажет вам о законах аэродина-
мики, набегающая на берег волна
послужит хорошей иллюстрацией
к теории колебаний. Как это инте-
ресно — за внешним проявлением
увидеть сущность процесса'.
Предлагаемая книга не является
систематическим изложением рас-
сматриваемой науки. Написанная
в форме отдельных этюдов, посвя-
щенных различным разделам гидро-
аэродинамики, книга преследует
цель познакомить читателя только
с некоторыми ее проблемами.
Начинается изложение с про-
стейших, уже решенных задач. Но
и они таят в себе интересные и не-
использованные возможности. В
этих разделах мы старались не толь-
ко рассказать, что делается, но и
как делается. По приведенным фор-
мулам читатель при желании может
сам проверить приведенные резуль-
таты или произвести расчет. В по-
следующих главах нам пришлось
ограничиться только рассказами о
стоящих перед гидродинамикой за-
дачах.
Подобно тому как нельзя напи-
сать симфонию, не прибегая к нот-
ным знакам, так невозможно рас-
сказать о гидроаэродинамике, не
прибегая к математическим форму-
лам. Тем не менее мы ограничились
простейшими формулами, для пони-
мания которых достаточно школь-
ных знаний алгебры и тригономет-
рии.
Несколько слов о принятой тер-
минологии. Механика — наука, изу-
чающая перемещение и равновесие
материальных тел под жействяем
различных сил. Приставкой гидро-,
которая обозначает воду, выделюэт
7
_ unworn**
«•-'* "°
Г™ > рамках г,лр' .
дсмк» "^движение не ^ько
хвмтв «У*» и г,эов Это объяс
•мл**]*1- 5S «конов движения
и«ек< &л*** в том случае,
*^!±Ан движения меньше
*"• ""^м (МЯ ООЗЛУ*» ск0
“JPOC” /^аяа 340 м/с) Но «о-
•’ 'TUl'ritOOOCTC# «»"*и"в “3 Г1Д
•* ^ „. ^ЛИ-’ИСЬ аэромеха
О0*'""Хм. дин.мнка. которы.
;Х^”»о«сгво газа сжиматься
В тех случаях, koi та из рассм
ния исключаются вопросы par 'Ре'
спя (статика) и изучается Tn°B’
движение под действием некот^*0
сил (динамика), пользуются 1е°РЫх
нами гидродинамика, алфодии Рми*
или их комбинацией Ми*а
Автор приноси! благо 1аон(>
тем читателям, которые сочтут СТЬ
можным прислать свои замечан°3
и предложения по адресу 24
Киев. / ГСП. Пушкинская. 28.
тельство «Техн1ка» ' иа‘
ГИДРОСТАТИКА
ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ
ГИДРОСТАТИКИ
Естественно, что знакомство
с гидромеханикой нужно начать
с ее более простой части, гидроста-
тики. И хотя задачи равновесия
жидкости и газа действительно бо-
лее просты, чем задачи движения,
но и этот круг задач очень обширен
и интересен.
Самая простая задача гидроста
тики возникнет перед нами, если мы
захотим понять, каким силам под-
вержена вода в стоящем перед нами
стакане (рис. 1).
Вырежем вертикальный столбик
воды с поперечным сечением S. Этот
столб будет испытывать атмосфер-
ное давление, которое мы обозначим
через ро. На площади S это давле-
ние вызовет силу p^S. В ту же сто-
рону будет направлена и сила веса
жидкого столба. Если через р обо-
значить плотность жидкости, через
g — ускорение силы тяжести, через
h — высоту столба, то его вес можно
определить как произведение pghS.
Тот факт, что жидкий столб не
проваливается вниз, свидетельству-
ет о существовании давления в ниж-
ней части столба, которое и уравно-
вешивает силы, направленные вниз.
11
Это давление называют ГИд
статическим. Обозначим его через
Условие равновесия жидкого стол
ба запишется так:
p„S pghSpS.
Как и следовало ожидать, площад
S входит в это уравнение общИм
множителем и может быть сокраще.
на. Обычно вместо высоты столба К
записывают координату точки, в Ко.
торой хотят определить давление л
Отсчитывая эту координату от сво-
бодной поверхности жидкости, мы
получаем некоторую отрицательную
величину, которую обозначим через
z = — h. Введя это обозначение и
сократив уравнение (1) на S, полу-
чим основное уравнение гидроста-
тики:
Р + = Ро- (2)
Если точка с координатой г
расположена на дне стакана, то р —
давление на его дно. В общем слу-
чае р — давление в жидкости на
уровне z.
Специфика свойств жидкости
состоит в том, что давление в ней не
зависит от ориентации площадки, на
которой это давление рассматрива-
ется. Каждый столб испытывает та-
кое же боковое давление, уравнове-
шиваемое давлением соседних стол-
бов или давлением на стенках ста-
кана.
Чтобы лучше понять законы ги-
дростатики, проделайте следующий
опыт. Налейте в стакан воды до са-
мого верха. Накройте его бумагой
и, придерживая бумагу ладонью,
переверните стакан вверх дном.
После этого отпустите руку. Вода
останется в стакане, так же как ес-
ли бы она опиралась на дно.
Этот опыт легко объяснить, ис-
пользуя уравнение (2).
Перепишем его следующим образом:
Ро~Р£г^Р"
Заметим только, что в перевернуто*^
стакане координата z отсчити>®^|^
12
ij i < вьбодиьи поверхности ввср/ и
fl</fuMy B'<-|,ia ПОЛОЖИ'И;.'! ЬИЙ
J Jpoa в ал j 13ирова в , равнение
можно заключить, что давление
в воле будет уменьшать?.?; при .ве-
личиями г Однако если ве< столба
воды (>gz меньше атмосферного дав-
ления р(>, давление р б-.дет оста
ваться положительным, хотя и мень-
шим атмосферного. Положительное
значение внутреннего давления в
жидкости означает наличие сил,
сжимающих ее. Эти силы и удержи-
вают воду в опрокинутом стакане.
Из уравнения (2) можно опреде-
лить и высоту столба, который мо-
жет удерживаться атмосферным
давлением.
Очевидно, что когда
Р = Ро — Р£? = О,
вода разольется. Отсюда
Рё
(3)
Подставив сюда числовые значения
Po^g-10332 Н/м2, р= 1000 кг/м3,
получим
10332
г = -iooo- = 10’3 м
Из этого расчета, например, сле-
дует, что отсасывать воду из колод-
ца (рис. 2) глубиной больше 10 м
нельзя.
Возвратимся к формуле (3).
Если мы применим ее к жидкости
большей плотности, то величина z
окажется меньше. Так, для ртути
р = 13 600 кг/м3 и z — 0,76 м.
Благодаря малой высоте столба,
на которую поднимается ртуть,
с ней легко проводить опыты по
изучению атмосферного давления.
Для этого поступают следующим
образом. Тонкую стеклянную трубку
длиной больше, чем 760 мм, запаян-
ную с одного конца, наполняют рту-
тью, закрывают отверстие пальцем
и опускают этот конец в сосуд
с ртутью. Высота ртутного столба
в стеклянной трубке зависит только
от атмосферного давления. Таким
образом, изображенный на рис. 3
прибор представляет собой баро-
метр, показывающий атмосферное
давление в привычных единицах —
миллиметрах ртутного столба
Из уравнения (3> можно полу-
чить и закон Архимеда, и закон Пас-
каля. Но поскольку читатель знаком
с ними по школьному курсу физики,
мы не будем останавливаться на их
выводе, а расскажем только с воз-
можных применениях.
ЗАКОН ПАСКАЛЯ
Поставим перед собой вопрос,
почему в гидравлических машинах,
как правило, применяют масло, а не
воду. Казалось бы, что из соображе-
ний дешевизны следует применять
именно воду. Да и названию маши-
ны это больше соответствует. Как
вы догадываетесь, масло применяют
потому, что оно, с одной стороны,
ведет себя как жидкость к передает
давление во все стороны, а с другой
стороны, ведет себя как замазка, за-
тыкая щели, по которым проходят
сопряжение подвижных в меве-
двнжных частей мехаяяэыа. Пост-
нее свойство проявляется иные
13
В том случае, если щель дОст
мала. Поэтому сопрягаемые и?ЧИ°
машин обрабатывают очень Части
с высоким классом чистоты nJ°4Ho>
ностн. Верх-
Читатели, наверное, видели
улицах города машину с телеско Иа
ческим подъемным механизм*111'
предназначенным для подъема коп’
зины с человеком. Машина остан Р'
ливается. Вложенные друг в драв'
стальные трубы устанавливаются
вертикально. После этого насос на*
чинает качать масло в нижнюю
часть этих труб, и трубы одна за
другой поднимаются вверх. Са
мой верхней (и самой тонкой) при-
креплена корзина, в которой нахо-
дится человек.
Вот бы так же взять несколько
железобетонных труб, вложить их
друг в друга, поставить вертикаль-
но и качать вовнутрь жидкость
пока они не поднимутся вверх на
небывалую высоту. Эта мечта ру-
шится только потому, что железо-
бетонные и даже сварные стальные
трубы изготавливаются с малой точ-
ностью. Вложенные друг в друга,
они образуют такой зазор, что все
масло вытекает через эти щели.
Стоп! А почему, собственно, мы обя-
заны использовать масло? Нельзя
ли применить другую жидкость, ко-
торая будет просачиваться через
щели между трубами достаточно
медленно, чтобы насосы успевали ее
накачивать. Понятно, что эта жид-
кость должна обладать большой
вязкостью, такой, например, как
смола. В этом случае мы сталки-
ваемся с другой трудностью. Каким
насосом качать смолу?
Итак, нужна жидкость, которая
была бы маловязкой в насосе и
сильновязкой в зазоре между ТРУ"
бами. Здесь весьма уместно вспом-
нить о некоторых глинистых раст-
ворах, которые обладают свой-
ством тиксотропии. Эти растворы
при перемешивании обладают очен_
малой вязкостью, а в неподвижно
состоянии превращаются в тверд
14
icjo Такие i.тинистые растворы
к настоящее время применяют при
б\ рении скважин.
Использование тиксотропных
глинистых растворов позволяет ре
плггь проблему вертикального мон
(ажа железобетонных труб (рис 4)
Предположим, что имеется десять
железобетонных труб последова
тельно уменьшающихся диаметров,
длиной 30 м каждая. Их вкладыва
ют друг в друга. Обычными строи
। е л ь н о - м о н т а ж н ы м и механизмам и
эти трубы устанавливают верти-
кально на подготовленный фунда-
мент, где внешняя труба жестко за-
крепляется цементным раствором
Затем на верхней части внутренней
грубы устанавливают, в зависимости
от назначения, радио- или телевизи-
онные антенны, ресторан. Все это
происходит на высоте около 30 м и
не требует специальных подъемных
средств. После монтажа оборудова-
ния в промежуток между фундамен-
том и внутренними трубами начина-
ют качать глинистый раствор. В на-
сосе и в трубопроводе, где раствор
сильно перемешивается, он ведет
себя как маловязкая жидкость. Зато
в зазоре между трубами, которые
медленно перемещаются относитель-
но друг друга, раствор становится
почти твердым, и внутреннее давле-
ние не может протолкнуть его через
щель. При этом внутреннее давле-
ние может превзойти вес труб и они
начнут подниматься, последователь-
но выдвигаясь друг из друга.
Даже если их относительное
движение будет составлять всего
1 мм/с (при такой скорости сколь-
жения жидкость не будет уходить
в щели), менее чем через 10 ч соору-
жение поднимется почти на трех-
сотметровую отметку. В таком по-
ложении трубы фиксируют с помо-
щью сварки закладных металличес-
ких частей. Глину спускают, зазор
заливают цементом, и трехсотметро-
вая вышка готова. Таким образом,
уникальное сооружение можно бы-
стро и дешево построить с помощью
обычной техники, которой обладают
даже сельские строительные орга-
низации.
ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ
Кроме силы тяжести, в некото-
рых случаях нужно учитывать силу
поверхностного натяжения. Каждая
частица жидкости притягивается со
всех сторон соседними частицами
Частицы, находящиеся на поверх-
ности жидкости, находятся в других
условиях, чем внутренние. Отсут-
ствие сил притяжения со стороны
воздуха компенсируется силами по-
верхностного натяжения. Наличие
таких сил можно проиллюстриро-
вать следующим опытом (рис. 5)
Возьмите тонкую швейную игол
ку и потрите ее пальцами. Кусочек
промокательной бумаги положите
на воду, а сверху опустите иглу. Че-
рез некоторое время бумага пропи-
тается водой и утонет, а игла оста-
нется на поверхности воды. При
этом хорошо будет видно углубле-
ние в воде, которое она образует.
Именно это явление используют во-
дяные насекомые-водомеры, быстро
бегающие по поверхности прудов-
15
Поскольку силы поверхностного
натяжения прямо пропорциональны
кривизне мениска, то они в наиболь-
шей степени проявляются в капил-
лярах, т. е. очень тонких трубочках.
Причем в зависимости от того, сма-
чивается или не смачивается мате-
риал капилляра, жидкость будет
либо подниматься, либо опускаться
по капилляру. По тонким капилля-
рам в стволах деревьев вода подни-
мается на десятки метров вверх,
снабжая водой самые верхние ли-
стья.
Если у вас есть мелкое ситечко
для разливки чая, вы можете проде-
лать и другой опыт. Смочите ситеч-
ко подсолнечным маслом. Стряхни-
те его, чтобы масло не затягивало
ячейки. А теперь налейте в ситечко
немного воды. Вода останется в си-
течке. Свойство сита не пропускать
воду используется при заливке бен-
зина в бак машины. Бензин хорошо
смачивает медное ситечко и свобод-
но протекает, а вода обладает от-
талкивающими свойствами, поверх-
ностное натяжение задерживает во-
ду в ситечке. Давление в пузырьках
газа в газированной воде тоже
удерживается силами поверхностно-
to натяжения.
ГИДРОСТАТИКА В НЕВЕСОМОСТИ
0 условиях большой СИЛЫ Тд.
сти ” силы поверхностного натя-
* ниЯ проявляются только в малой
степени. В условиях невесомости,
иптооые возникают,, например, На
искусственных спутниках Земли,
ппвеохностное натяжение оказыва-
ется основной силой, которая обу-
словливает поведение жидкости.
Что произойдет, если в невесо-
мости открыть бутылку с водой?
т К как чистое стекло смачивается
«опой то вода будет растекаться по
«сей ’поверхности бутылки, в том
инсле и по ее внешней стороне
/пис 6) Более того, через короткий
промежуток времени вся вода рас-
оложится вне бутылки, а внутрен-
ний объем окажется пустым.
Чтобы понять это явление, рас-
смотрим равновесие сил поверхност-
ного натяжения и внутреннего дав-
ления для случаев, когда жидкость
находится внутри и вне бутылки.
В первом случае мениск будет во-
гнутым, силы поверхностного натя-
жения будут направлены наружу,
из- жидкости, и будут стараться
растянуть жидкость, увеличить ее
объем. Так как жидкость не растя-
гивается, то силы поверхностного
натяжения вызовут понижение дав-
ления в ней. Такое состояние жид-
кости является неустойчивым. Ма-
лейшее возмущение, несимметрия
мениска приведет к течению жид-
кости в таком направлении, какое
обеспечит устранение разрежения.
В этом явлении можно усмотреть
некоторую аналогию с поведением
жидкости в перевернутом стакане
в обычных, земных условиях.
Если же жидкость находится на
внешней поверхности бутылки, то
кривизна свободной поверхности
обращена так, что силы поверхност-
ного натяжения в каждой точке
направлены внутрь жидкости.
этом в ней возникает
лее высокое, чем в окру^юШ»# «Г
мосфере. Такое разновес^
16
вается устойчивым. После исчезно-
вения возмущения жидкость возвра-
тится в прежнее положение.
Поскольку жидкость всегда стре-
мится занять положение устойчиво-
го равновесия, то она и окажется
вне бутылки. Сохранить воду в от-
крытом сосуде можно в том случае,
если изготовить его из несмачивае-
мого материала, например, из по-
лиэтилена.
Ну, а как поведет себя жидкость,
если мы захотим приготовить пищу
на огне? Читатель, конечно, знает,
что открытое пламя в условиях не-
весомости быстро погаснет. В отсут-
ствие силы тяжести около огня не
будет конвективного течения, и
к пламени не будет поступать кис-
лород. А без этого горение не будет
поддерживаться. Но можно попы-
таться вскипятить воду на электри-
ческой плитке, для которой не ну-
жен кислород. Легко понять, что па-
ры воды вытолкнут всю воду через
отверстие, предназначенное для вы-
хода пара. Таким образом, приго-
товление пищи в условиях невесо-
мости представляет довольно слож-
ную проблему. Пока что космонав-
ты вынуждены пользоваться тюби-
ками с пастообразной пищей.
Конечно, кипятить воду на кос-
мическом корабле никто и не пы-
тался. Однако на одной из амери-
канских космических станций прои-
зошел очень похожий процесс. Там
был установлен сосуд Дюара с жид-
ким гелием, предназначенным для
охлаждения сверхпроводящего элек-
тромагнита. В условиях земного
притяжения пар в сосуде Дюара
поднимается с поверхности и выхо-
дит через отверстие. (Если отвер-
стие закрыть, то сосуд разорвется
от давления пара). Пока гелий весь
не испарится, температура в сосуде
не поднимется выше 4 К. Хорошая
теплоизоляция, обеспечиваемая со-
судом Дюара, позволяет достаточно
долго хранить гелий. Иначе прохо-
дит процесс кипения гелия в усло-
виях невесомости. На космическо!
станции пары вытолкнули телий че-
рез отверстие, предназначенное для
выхода пара, и сосуд быстро опо-
рожнился.
Из тех же условий устойчивости
равновесия следует, что жидкость
в свободном пространстве в услови
ях невесомости будет иметь шаро
образную форму. Со временем люди
используют это явление, и в около
земном космическом пространстве
организуют производство стальных
шариков для подшипников
РАВНОВЕСИЕ КОРАБЛЕЙ
Со времен Архимеда известно,
что тело будет плавать, если вес вы-
тесненной им жидкости равен весу
самого тела.
Круглое бревно плавает на по-
верхности воды в полном соответ-
ствии с этим законом. Не будет на-
рушен закон Архимеда и в том слу-
чае, если вы сядете на это бревно.
Сила Архимеда равна общему весу,
и вам можно плыть и плыть. Но
при самом небольшом возмущении
бревно вместе с вами перевернется,
и вы окажетесь под водой. И то
сил
п,етво что закон Архимеда
нарушается. будет сла-
бым для <« утешением.
/4а этом примере l
давания, кроме условия, (п*и~.....
Архимедом, нужны еще условия
устойчивости равновесия
жести и сил Архимеда.
Эти условия легче всего понять,
рассмотрев, как плавает в воде же-
лезная лопата с деревянным черен-
ком (рис. 7). Лопата погружается
в воду до тех пор, пока вес вытес-
ненной воды не сравняется с ее ве-
сом. Причем архимедова сила при-
ложена к черенку, а равнодействую-
щая сила тяжести —к лопате. Это
обстоятельство обусловливает вер-
тикальное положение лопаты в воде.
В том случае, если волна вызовет
отклонение лопаты от вертикального
положения, возникнет момент, ко-
торый возвратит лопату в прежнее
видно, что для
В - открытого
т
тя-
положение.
Таким образом, если центр тя-
жести тела будет ниже центра тя-
жести вытесненного объема жид-
кости, то тело будет находиться
в устойчивом равновесии. На кораб-
лях это условие обеспечивают низ-
ким расположением двигателей и
грузов. На яхтах, у которых, кроме
uV>kho уравновешивать М().
всего. 11 > приложенной к нарушу
менг cUJ’’^елый, низкорасиоложеп’.
пеласг парусных судах, у Ко.
'пЫЙ НИЛ»’- жслых двигателей, дИи.
,<>₽«’ цементом. Раям „>«.
ще залива» _ И)И Л(Щки
I условия
плавающих по
— один
устойчивости
। используют
IUUOr'"”
ihv ....... ......Размещу?
груза по объему иод води-
также проводится с учетом
устойчивости.
Для кораблей,
поверхности воды, есть еще
способ обеспечения
плавания. Этот способ -------,н
с древнейших времен полинезийские
рыбаки в своих конструкциях па-
русных лодок, которые известны как
катамараны (рис. 8). Водоизмещаю-
щий балансир, отнесенный в сторо-
ну от корпуса лодки, обеспечивает
устойчивость катамарана. Условия
устойчивости катамарана такие же,
как и для автомобиля на широко
расставленных колесах.
По рекам и озерам удобно пла-
вать в лодках-плоскодонках. Широ-
кое плоское дно, во-первых, обеспе-
чивает малую глубину погружения
лодки и облегчает плавание по мел-
ководью, и, во-вторых, обеспечивает
хорошую устойчивость лодки. При
наклонном положении такой лодки
ее вытесненный объем, и следова-
тельно, точка приложения архиме-
довой силы смещается в сторону
наклона. В сочетании с ейлои тя-
п СИЛа выз°вет восстанав-
п ЩИИ момент- в этом случае
дает необходимость в низком
р сположении центра тяжести. Од-
о, если такую лодку штормовая
л на повернет на бок, она опроки-
т я» в то время как яхта с тяже-
лым балластом поведет себя как
«ванька-встанька».
современных судах использу-
с”в большей или меньшей степе-
в а способа увеличения устойчи-
huJ!1’ и пУтем низкого расположе-
центРа тяжести, и путем выбора
геометр бортов> при которой на-
апУМжж судна приводит к смешению
клонаеД°ВОЙ СИЛЫ в СТ°РОНУ Н®’
18
АЭРОСТАТИКА
|ак называется раздел аэроме-
ханики, который изучает равновесие
газа. В случае надутою футбольно-
1() мяча и решать нечею. /\ вот.
если речь идет об аэростате разме-
ром в десятки метров, го здесь воз-
никает много проблем. Поднялся
аэростат вверх, внешнее давление
уменьшилось, внутренний газ рас-
ширяется. В этих условиях нужно
выпустить часть газа. Попал аэро-
стат под солнечные лучи, нагрелся.
Давление в аэростате повысилось,
опять нужно травить газ. Но воз
солнце скрылось в облаках, да еще
и аэростат обледенел. Вес его пре-
высил подъемную силу, и он стре-
мительно падает вниз. Теперь нуж-
но сбрасывать балласт. А что де-
лать, когда балласт кончился? Не-
устойчивость равновесия аэростатов,
их подвластность воздушной стихии
делает аэростаты беспомощной иг-
рушкой в руках природы.
Оставим пока воздушную сти-
хию и вернемся на землю. Во всех
конструкциях, которые использует
человек, он пользуется, главным об-
разом, материалами, которые спо-
собны сопротивляться как силам
растяжения, так и силам сжатия.
Появление в настоящее время лег-
ких и прочных пленок позволяет по-
в настоящее время алюминиевы
кресел и, кроме того, обладают ве-
ликолепными амортизационными
качествами.
Рассмотрим возможность изго-
товления колеса из такого материа-
ла. Возьмем кольцевую трубу диа-
метром d, накачаем ее воздухом пол
давлением р. Чтобы это кольцо сде-
лать колесом, достаточно в середи-
ну его вставить втулку типа велоси-
педной и соединить ее капроновой
жилкой с кольцом.
Теперь нужно ответить на во-
ставить вопрос о новом конструк-
ционном материале, каким является
пленка, наполненная сжатым возду-
хом. Сама пленка хорошо уравно-
вешивает силы растяжения, а за-
ключенный в ней сжатый воздух
способен сопротивляться силам
сжатия.
Самое простое применение это-
му материалу уже нашлось в изго-
товлении домашней мебели: дива-
нов, кресел, пуфов и т. д. Хорошо
надутая трубка подойдет и для
спинки кресла, и как несущая кон-
струкция палатки. Нет сомнения,
что пневматические кресла найдут
особенно эффективное применение
в авиации. Они легче применяемых
прос, какую нагрузку выдержит та-
кое колесо. Сжатый воздух пытает-
ся растянуть его, нагрузка через
спицы — пытается сжать. Разрежем
мысленно колесо горизонтальной
плоскостью (рис. 9). Верхняя часть
колеса поддерживается силой, рав
ной
Р= 2~Р
Здесь nd2 — площадь попереч-
ного сечения колеса, а коэффициент
2 возник в связи с тем, что плос-
кость два раза пересекает колесо.
Сила Р и есть допустимая нагрузка,
при которой колесо не сплющится.
Например, рассчитаем необхо-
димое давление в трубках, которые
19
могут быть использованы в ка-
честве велосипедных колес без ме-
таллического обода. Пусть диаметр
каждой трубки будет равен 4 см, а
вес велосипедиста вместе с велосипе-
дом — 900 Н. Учитывая, что поддер-
живающую силу создают два коле-
са, получаем следующее уравнение:
900 = 16лр,
откуда
р = 18 Н/см2.
При необходимости уменьшить
давление нужно увеличить диа-
метр трубки. Так, при диаметре
8 см необходимое давление будет
составлять всего 4,5 Н/см2. Исполь-
зуя такие колеса и надувное кресло,
можно изготовить детскую коляску,
которая в спущенном состоянии
уместится в дамской сумочке.
Движение колеса без обода по
неровной поверхности имеет свои
особенности. Рассмотрим, что прои-
зойдет с колесом, когда оно наедет
на камень (рис. 10). В момент стол-
кновения, благодаря силам инерции,
нагрузка на колесо превзойдет рас-
четную силу веса. Поэтому в месте
касания колесо прогнется, обогнет
камень, затем расправится и поедет
дальше. Как видим, для такого ко-
леса не страшны неровности даже
на большой скорости. Ьолсе тою,
чем больше скорость, тем менее за-
метно действие препятствия. Приме-
нение колес без жесткого обода по-
зволяет конструировать транспорт-
ные средства без рессор.
К условию равновесия мы долж-
ны еще прибавить условие устойчи-
вости колеса. Велосипедистам хоро-
шо известно, что колесо склонно
сворачиваться в восьмерку из-за по-
тери устойчивости. Этого явления
можно избежать, если втулку сде-
лать пошире.
Исключительная легкость рас-
смотренного колеса позволяет скон-
струировать одноколесный велоси-
пед или мотоцикл. Чтобы человек
мог разместиться внутри колеса, оно
должно быть спаренным (из двух
трубок) и иметь достаточно боль-
шой диаметр, например два метра.
Коленчатый вал соединяет между
собой правую и левую втулки и слу-
жит одновременно рамой, к которой
присоединяется мотор, бензобак и
сиденье для водителя. При этом
важно разместить центр тяжести
как можно ниже.
Для тех, кто захочет изготовить
такой мотоцикл своими руками,
можно дать несколько практических
советов. В качестве трубок для ко-
лес можно использовать два куска
пожарного шланга длиной шесть-
семь метров каждый. Камеры мож-
но изготовить из трех-четырех мото-
циклетных камер, спицы — из тен-
нисных струн. Камеры нужно нака-
чивать до тех пор, пока оба колеса
одновременно не перестанут просе-
дать под вашим весом. И в то же
время неравномерное давление дол-
жно вызывать прогиб одного из ко-
лес. Повороты осуществляются с по-
мощью перемещения всего корпуса
вправо или влево. Для этого сиде-
нье должно быть достаточно широ-
ким
У вашего мотоцикла будет еще
две особенности: на нем нельзя бы-
стро тормозить и ездить по очень
20
KpyibiM юрам Для примера рас
(MoipuM моншикл ( колесом диа-
M('ipoM 2 м и венгром тяжести,
расположенным на высоте 0,5 м.
При таких данных скорость тормо-
жения не должна превосходить
4 м/с2. Так, при скорости 72 км/ч
путь торможения должен быть нс
меньше 50 м. Что касается крут из
цы гор, то ограничение оказывается
не очень большим. Действительно,
гора с углом наклона 30е, по кото-
рой еще может двигаться ваш мо-
тоцикл, это достаточно крутая юра
Интересно посмотреть, что прои
зойдет при столкновении мотоцикла
с препятствием. Прежде всего води
тель, как маятник, повернется во-
круг оси, занимая горизонтальное
положение ногами вперед (а не го-
ловой, как на обычном мотоцикле)
Затем колесо начнет сплющиваться,
амортизируя удар. Если препят-
ствие окажется ниже колеса, как
например легковой автомобиль, то
мотоцикл может переехать его и по-
катиться дальше.
Надувные колеса для этих целей
должны^ быть, конечно, повыше,
большей толщины и для большей
устойчивости расставлены пошире
Для примера рассмотрим яи
паж, опирающийся на два колеса
высотой пять метров и шириной шин
в один метр Пусть его общий вес
будет равен двум тоннам (это мо-
жет быть многоместный автобус иля
грузовой автомобиль)
Необходимое давление в шмна>
2 ю«
Р = - 7000 Н/м’ = 0.7 Н.’см8
Такое же давление бчдут оказс*-
вать колеса на песок. Эта величина
примерно в пять раз меньше дав
ления, создаваемого человеком, и
во много раз меньше давления под
копытами верблюдов Наконец-то
нам удалось их превзойти* К мало-
му удельному давлению добавятся
другие достоинства колеса, о кото
рых мы говорили выше Все это
обеспечит его высокую проходи-
мость.
Описанный экипаж, особенно
если его оборудовать установкой
КОРАБЛЬ ПУСТЫНИ
Читатель, конечно, согласится,
что если верблюд и может называ-
ться кораблем пустыни, то только
кораблем устаревшей конструкции.
В наш машинизированный век жи-
вотные все больше уступают место
машинам. Однако сами машины
пока крепко привязаны к узким по-
лоскам земли, называемым дорога-
ми. Наверное, именно этим объяс-
няется то высокомерие, с которым
верблюды проходят мимо увязших
в песке машин. Мы, люди, можем
понять и простить верблюду его пре-
зрение к машинам, но мы не можем
себе простить, что творение наших
рук оказывается хуже творения при-
роды.
Описанный выше мотоцикл мо-
жет послужить прототипом нового
транспортного средства, способного
Двигаться по пустыням (рис. II).
кондиционирования воздуха и холо-
дильником с прохладительными на
21
г -лтоинсгв) б\лег но-
ч"\!ч корабля пустыни
< конструкции.
ПРОСТАТИЧЕСКИЙ ТРАНСПОРТ ГАЗА
Пмшодный газ при атмосферном
,.;Мении легче воздуха. Это обстоя-
тельство наводит на мысль исполь-
;?зать аэростаты, наполненные при-
родным газом, для транспортировки
этого же газа. При больших разме-
рах таких аэростатов (с объемом
в несколько миллионов кубометров)
можно обеспечить производитель-
ность транспортной системы в сотни
миллиардов кубометров в год.
Однако этот способ имеет свои
недостатки. Нарушение аэростати-
ческого равновесия в полете, боль-
шие ветровые нагрузки, опасность
загорания от молний и статическо-
го электричества — все это делает
аэростат мало надежным средством
гране порта. Те.м „
гические свойствд
и дешевый плено^^Дш^Ч
ИС,,ОЛЬЗ '"го ’а
иной транспортат'>
Г Ухз занннх нСИстеМы °
I Средств вьте себе Д<К'ТаТц<СаогЛЯ
™ все азростаты и’ *
В одну цепочку Гр.
газа до места его МестоппЮ
единив а5ростат“ "°тРебл₽“*А<
нами друг с др “ от"РыТь, *’• Со’
образный газопппн ' п°ЛУчик? Ги-
ростаты будут Не°^ Сами1Сб°е-
лень, „а высоте То0ОДв0И„*«о а»
шью косых растяжГ200 *
производительное™ Т ПРч в"’*»-
" тазонро ра«^:р0₽е^
Уаза больнее п’ "ь
а э₽°статк,
транспортн"Т’'
РРе^ода „ оа«»
ческий ]
го ЛИШЬ в ДВа
чем на <—
назначенные
газа.
полностью
^Дельные
-----' Для
Увеличение
стемы.
нЕ поМАЖЕШЬ — НЕ ПОЕДЕШЬ
Iрудно < <-б< ир<:.и I авт ь совре-
менные механизмы без врашающих-
(я частей. Вращают; я кол а авто
мобилей и тепловозов, роторы элек-
тромоторов и гидротурбин, винты
самолетов и пароходов В любом
механизме вращающиеся части со-
прягаются с неподвижными Колесо
обычно сидит на валу, концевая
часть которого называется шипом
Вращающийся шип опирается на
неподвижный подшипник. Такое со-
единение подвижной и неподвижной
частей механизма называется под-
шипником скольжения. Если межд\
шилом и подшипником размещают
ряд роликов или шариков, получа-
ют подшипник качения Кроме вра-
щающихся деталей, механизмы мо-
гут иметь части, которые совершают
возвратно-поступательное движение.
Всякое сопряжение подвижных
и неподвижных деталей требует
смазки трущихся поверхностей. По-
чему для смазки применяют имен-
но масло, а не воду или, еще луч-
ше, воздух? Ответ на этот вопрос,
как это ни парадоксально, нужно
искать в анализе состояния непо-
движного подшипника. Когда шип
быстро вращается, то он как бы
всплывает в смазочной жидкости,
которая при этом полностью разде-
ляет шип и подшипник. В таком со-
стоянии, действительно, масло мож-
но заменить водой, уменьшив толь-
ко допустимую на подшипник на-
грузку. Но вот вращение прекрати
лось, шип опустился на подшипник
и. выжимая воду, плотно пристает
к нему. Теперь, если вал начнет
вращаться вновь, шип будет сколь-
зить по подшипнику без промежу-
точного смазочного слоя. Это при-
ведет к их взаимному износу.
Смазочные масла обладают тем
удивительным свойством, что не вы-
жимаются полностью из зазора
между шипом и подшипником даже
при давлении в тысячу килограмм
на квадратный сантиметр И хотя
остающийся слой может быть очень
гонок, всего несколько молекуляр-
ных слоев, этого достаточно для
предотвращения взаимного износа
шина и подшипника в моменты тро
гания и остановки механизма. Легко
понять, что особенно велико удель-
ное давление в шариковых и роли
ковых подшипниках, в которых вся
нагрузка сосредоточивается на
очень малой контактной площади.
Из-за этого весьма эффективные
шариковые подшипники приходится
использовать только яри малых на-
грузках. В случае больших ««гпу.
зок применяют подшипники
жения с масляной смазкой.
нагру-
CKO.'I ь-
1 давле-
- канавки
поверхность подшип-
‘ I тоже
шип от подшипни-
воздушный подшипник
А если воду подавать под
„нем через специальные
или пористую г"-. ’“"™=
ника? Ведь таким обР^3™
кТиме°нТное,ПнТаЬ этом принципе со-
зданы подшипники, использующие
водяную и воздушную смазку. Под-
шипники с водяной смазкой приме-
няются, например, в гидротурбинах.
Еще большее распространение по-
лучили подшипники с воздушной
смазкой, хорошо работающие при
малой нагрузке и большом числе
оборотов, например, на шлифоваль-
ных станках, у которых производи-
тельность и чистота обрабатывае-
мой поверхности увеличивается
с ростом числа оборотов. При этом
удается достичь скорости 20 тыс.
оборотов в минуту. Если бы для
смазки применялось масло, которое
обладает вязкостью в тысячи раз
большей чем воздух, то пришлось бы
предусматривать сложную систему
принудительной циркуляции и охла-
ждения масла, которое быстро на-
гревается в зазоре между подшип-
ником и быстровращающимся ши-
пом. в то же время обычные под-
шХ"""при
«ог ~хсмазки"вообще
Bouivx, предназначенный
111,0 ЧКН одновременно ИСИОД1
дЛ>* СМ‘п чя зого, чтобы вычватн
'У’°5 ‘’потора Именно так устриц
щеПчсР 'центрифуга, у которщ
рп;4ЯИ уборотов В минуту похоаич
400 чме
КАК ПЕРЕДВИНУТЬ ХОЛОДИЛЬНйк
Воздушная смазка может быт.
использована не только в подщи
никах, но и при скольжении тед
вдоль какой-либо поверхности. Что-
бы передвинуть шкаф, холодильник
или стальной несгораемый шкаф
нужны очень большие усилия. Воз-
душная смазка может сделать эту
задачу доступной даже ребенку.
Предположим, что нижняя часть
холодильника, где находятся элек-
тромотор и компрессор, выполнена
так что между полом и холодиль-
ником не остается зазора. Подсчи-
таем какое давление воздуха нужно
создать под холодильником, чтобы
пн ппиподнялся над полом. Уело-
вимся, что вес его равен 1000 Н,
плошадь опоры 0,25 м’. Из этих
данных найдем, что достаточно
обеспечить поддув воздуха с давле-
нием 4000 Н/м2, чтобы холодильник
оторвался от пола и поплыл туда,
куда его подтолкнет хозяйка. Пода-
uv воздуха с таким малым даре-
нием может обеспечить любой бы-
товой пылесос.
ЛЫЖИ СКОЛЬЗЯТ
ПО ВОЗДУХУ
случаях компрес-
воздух, двигается
В описанных
С0Р, подающий
вместе с транспортируемым пред-
том. Возможны и другие способы
использования воздушной смазки,
когда транспортируемые предметы,
впример ящики, чемоданы, тюки,
мешки не связаны с компрессором,
а воздух подается снизу через щели
в поверхности, по которой эти пред-
меты скользят. Так можно делать
26
транспортеры, предназначенные для
перемещения грузов в аэропортах,
на железнодорожных станциях,
в складских помещениях.
Эту идею можно применить для
постройки лыжного трамплина, ко-
торый будет отличаться от трам-
плина со снежным покрытием не
только возможностью круглогодич-
ной работы, но и очень малым со-
противлением трения лыж о покры-
тие (рис. 12).
Конструкцию такого трамплина
можно себе представить следующим
образом. Пластиковое покрытие го-
ры разгона должно иметь две не-
глубокие канавки-лыжни, по кото-
рым и будут скользить лыжи. При
этом сама лыжня должна быть из-
готовлена из пористой пластмассы.
Через эти поры снизу и должен под-
дуваться воздух. Что касается горы
приземления, трение которой не
влияет на дальность прыжка, то она
может быть покрыта обычным пла-
стиком, как это сделано, например,
в Москве на Ленинских горах, где
лыжники тренируются и летом.
Подсчитаем давление, которое
оказывает лыжник на каждый квад-
ратный сантиметр лыжни. Длина
прыжковых лыж в среднем равна
м, ширина — 0.1 м. Вес лыжника
с лыжами примем 750 Н Тогда дав-
ление
р = = 1500 н «
Как видно, для того, чтобы ото-
рвать спортсмена от лыжни, нужно
создать под лыжами совсем неболь-
шое давление. Однако при расчете
давления подаваемого воздуха необ-
ходимо учесть нестационарный ха-
рактер процесса заполнения зазора
воздухом.
Действительно, пока лыжа не на-
кроет струи воздуха, давление в них
будет равняться атмосферному. Сле-
довательно, в первый момент, когда
передний коней лыжи наедет на эти
струи, они еще не будут обладать
избыточным давлением и поддержи
вать лыжу. Лишь с течением време
ни воздушные струи заполнят зазор
под лыжей и создадут в нем необ-
ходимое давление. Чтобы этот про-
цесс становления был достаточно
кратковременным, нужно, чтобы
давление воздуха в подводящем
трубопроводе значительно превосхо
дило подсчитанное и обеспечивало
быстрое заполнение воздухом зазора
под лыжей.
27
гне поры ДОЛЖНЫ
Определим- на „ произво-
аыть вРпластмассе обладать воз-
дительностью Д 'Скорость лыжник
душная систему Скор длину учаСТ.
примем P^J^ должен закон-
на лыжи, на к0Ту? процесс, равным
;Гсьмя ’’ТыжТ-лоыГм’
объем.
-
= 5 Ю~"
Время заполнения определяется
отношением пути к скорости:
/ _ = o,oi с.
Следовательно, количество воз-
духа которое необходимо подавать
в одну секунду на участке одной
лыжни длиной 25 см, равно
= 5 - 10-4 м3/с
5 10
= —о?оТ
На каждом квадратном санти-
метре это количество должно рав-
няться
о — 5 ‘10-4 = 0,02 м3/(с • м2).
0.25 0,1
Теперь мы можем определить
общий расход воздуха через поры
горы разгона, длину которой мы
примем равной 50 м. При ширине
лыж 0,1 м общая площадь лыжни
5 = 50 0,1 =5 м2.
Значит, система подачи воздуха
должна обеспечивать расход
<2 = 0,02-5 = 0,1 м®/с.
Из этих расчетов следует что
и'поЗ"0® С,,азки тРамплина
ихХ™"™ И0ЩНЫ)[ те«ничес-
*«* средств.
к₽углогодичной работы и
ВОЙ wlSS"?’. с воздуш-
тмшюаои 2^” "еще одним
« ^ТредХв “теМ сеВ
бя на месте начинающего
Вы еще не умеете прЬ1га ЛЬ1*НцКа
му рискуете сломать себе И IIOsTo
если вы не будете прыгат^6’0-
когда этому не научитесь R То Иц
этого положения находят в°Ь‘ХоД и3
начинают прыгать с малого^^’ Что
лнна, с малой Дальностью Трамп-
Но ни в одном учебном цент°Лета-
набора все возрастающих Тг/Ре нет
нов. Обычно ограничиваютсяРаМПЛ|ь
Регулируемая воздущНая АвУмя.
ка позволяет заполнить этот СМаз'
между трамплинами и обеспР°бел
все возрастающую дальноет^4^
лета. СТь по-
ВАГОН НА ВОЗДУШНОЙ ПРОСЛОЙКЕ
Пример с транспортировкой Хо
лодильника выявляет подкупающую
простоту передвижения с примене-
нием воздушной смазки. Возмож-
ности использования воздушной
смазки в транспорте первым открыл
наш знаменитый соотечественник
К. Э. Циолковский. Он провел рас-
четы и показал практическую осу-
ществимость и целесообразность
поезда, который движется вдоль
гладкой бетонной поверхности с по-
мощью воздушной смазки между
трущимися поверхностями.
Как и многие из его идей, эта
идея намного опережала время.
И дело не только в том, что у стра-
ны в том далеком 1927 году не было
средств на строительство такой до-
роги, но и в том, что весь техниче-
ский прогресс еще не подготовил
условий для нового вида транспор-
та. В то время даже обычный же-
лезнодорожный транспорт еше н6
исчерпал своих возможностей.
Колеса начинают плохо Ра^та^
при скоростях выше 240 км/ч. А
кие скорости встали на повес?/
дня только теперь, и то, главным
разом, в капиталистических стран» *
где железиодоромсныд
должен выдержать жестокУЧЛХ
куренцию с авиатранспорт “
(1оЯ1нее время уже йен ьп ива идея
опийные вагоны, в которых колеса
заменены воздушной смазкой Цри.
мером такою транспортного устрой-
ства может служить парящий вагон
^Ховеркар», проект которою разра-
ботан английской фирмой «-Ховер
крафт дивелопмент лимитед*.
АППАРАТЫ
НА воздушной подушке
Воздушная смазка выгодна тем,
что требует малого расхода мощ-
ности. Но это достоинство обходит-
ся дорого из-за высокой стоимости
дорог, предназначенных для беско-
лесного движения. Именно поэтому
возник вопрос: нельзя ли увеличить
воздушный зазор настолько, чтобы
отпала необходимость в гладкой по-
верхности. Так родилась идея аппа-
ратов на воздушной подушке
(АВП), которые перемещаются без
дороги по пескам, степям, вдоль
мелководных рек и по снегам тунд-
ры и Арктики.
Аппараты на воздушной подуш-
ке имеют сравнительно долгую ис-
торию. Еще в 1853 г. коллежский
асессор архитектор Иванов предло-
ков построил нескол
воздушной под\шке*'
эти катера показали
вые качества, и ггс
жи.'.
сходили все поставленные
времени рекорды
Одна Kt
в последнее время работы г
нию АВП вышли из стадии
исследований
По схемам создания воздайся
подушки аппараты разделяют на
несколько типов. Первый из них по-
лучил наименование «'летающей,
платформы* грис 13). Такой аппа-
рат является .модификацией верто-
летного устройства (его несущий
винт помещен в туннель) Аппарат
может летать и вдали от воды или
земли. Но экономичное движение
осуществляется только вблизи ка-
кой-либо поверхности.
Второй тип — камерный (рис 14г
В этом аппарате создается обшир-
ная воздушная подушка. Так как
площадь и объем подушки велик.
то давление и скорость воздуха
в ней малы. Воздух вырывается
в сравнительно узкую щель по пе-
риферии аппарата. Пс сравнению
с вертолетом такой аппарат может
быть в четыре раза более экономич-
ным. В некоторых случаях, особен-
жил изготовить по его проекту «ду-
хоплав», представлявший собой не-
большой речной корабль, под дни-
ще которого два человека с помо-
щью ручных кузнечных мехов нака-
чивали воздух. Департамент проек-
тов и смет, рассмотрев предложение,
отклонил его как неосуществимое.
И хотя мы часто склонны обвинять
чиновников царской эпохи в консер-
ватизме, в данном случае они были
правы в своем утверждении, что
мощности двух человеческих сил
совершенно недостаточно для того,
чтобы оторвать корабль от воды,
хотя сама идея и была правильной.
Много лет спустя, в 1934—
1935 гг.» когда появились мощные н
легкие двигатели внутреннего сгора-
ния, профессор Новочеркасского по-
литехнического института В. И. Лев-
но при движении вдоль водной по-
верхности, щель, через которую воз
дух уходит из подушки, загоражи-
вают. Боковые стороны закрывают-
ся выступающими частями корпуса,
которые могут касаться воды. Пе-
редняя и задняя части прикрывают-
ся гибкими завесами. Указанные
средства значительно сокращают
расход воздуха и, следовательно,
позволяют уменьшить мощность
двигателей. Однако они сильно при-
вязывают аппарат к водной поверх-
ности и исключают движение по вол-
нам. Именно по такой схеме были
построены катера В. И. Левкова и
американского конструктора
Д. К. Уорнера.
Вместо механических завес мож-
* но использовать воздушные, кото-
рые не связывают судно с водной
поверхностью. На этом принципе
построены аппараты соплового типа
(рис. 15). В этих устройствах воздух
выпускается сильной струей из уз-
кой сопловой щели, проходящей по
Ч"~Па°
образуется про-
с Убыточным дав-
апаарат в воздухе и.П?Дде₽живает
изобретатель II. д R
в 1950 г. получил ав-1орСК(ЯрУкоь
тельство. Сопловая схема Iu
создать аппараты, кокур^ц,
ются от поверх нос-1 и Иа %рЫва.
В этом пх основное Достоин/0
Недостатком же является 'В°
эти аппараты неустойчивы Т°’ Ч1о
склонны крениться в ту или ’ т е.
сторону и касаться бортом п УГую
ноет и воды. В малых аппа°Ве^х'
с одним компрессором кренРаТах
устранен тем, что воздуШну бь'-т
душку разделили вертикальн^0'
перегородками на несколько Ча ‘Ми
В тех конструкциях, где примя-
лось по три и более компрессов
неустойчивости не наблюдалось Р°В)
Наклон аппарата вызывает
симметричное истечение воздух
из-под днища и тягу в противоло*
ложную сторону. Перемещением
центра тяжести осуществляют
управление на малых АВП. В дру.
гих случаях применяют воздушный
винт и горизонтальный руль боль-
шой площади.
В настоящее время у нас в стра-
не и за рубежом проводятся натур-
ные испытания образцов аппаратов
на воздушной подушке. На горьков-
ском судостроительном заводе
«Красное Сормово» в 1962 г. был
построен пятиместный катер «Раду-
га» на воздушной подушке. Он име-
ет два авиационных двигателя, один
из которых создает воздушную по-
душку, другой через воздушный
винт обеспечивает тягу. Испытания
показали, что катер может подни-
маться над водой на высоту 20—
25 см и развивать скорость до
120 км/ч.
Английский конструктор К- Кок-
кериль в 1953 г. разработал и изго-
товил небольшое экспериментальное
судно SR-1 длиной 9.15 м, ШИРИ”°
7.3 м, высотой 3,26 м. Двиг^
мощностью 600 кВт обеспечил тек
му судну движение со скорост»
46 км/ч на высоте 0,2—0,3 м от
верхности воды при полной и
четыре тонны.
30
Закм, после H'.iiuizhhh f
и>, отмени более кру11НЬ1(.
SR-2 и SP-3. Кроме этих <.гг/Д”1И
английская фирма "Саундер/ в' pJfc’
разрабатывает проект с,дна Sp Z
которое предназначается тти ,
низки 600 **Mri()fc чнпг->
Ла-Манш,
равняться
170 т.
В конце
пассажиров через пролив
Скорость его хода будет
167 км/ч, а полный вес
1962 г. в Ленинграде
было построено и испытано с.дно
</Нева», способное перевозить
38 пассажиров при скорости
50 км/ч. Основные его данные та-
кие: длина —17,3 .м, ширина—6,6 м
вес—12,5 т. Корпус сварен из алю-
миниевых листов. На судне уста-
новлено два авиационных двигате-
ля мощностью по 300 кВт каждый
служащих для создания воздушной’
подушки, и один двигатель мощнос-
тью 380 кВт, обеспечивающий ра-
боту кормового воздушного винта.
Испытания «Невы» показали, что на
волне высотой 0,5—0,6 м судно не
испытывало ударов о корпус и не
подвергалось качке.
Поскольку экономичность АВП
может быть обеспечена только при
малом отношении высоты полета
к диаметру корпуса, то естественно
стремление к увеличению абсолют-
ных размеров АВП.
В настоящее время имеется про
ект трансатлантического гиганта на
воздушной подушке. Масса его
40 000 т, ширина 100 м, скорость
хода 185 км/ч. На таком судне раз-
местится с удобством 1000 пасса-
жиров. Высота подъема днища над
водной поверхностью будет не ме-
нее 3—3,5 м, так что оно не будет
подвергаться качке, а пассажиры —
«морской болезни».
экономичные АВП
Грузоподъемность аппарата на
воздушной подушке возрастает
с ростом диаметра подушки. Однако
при атом возрастает и вес самой
конг р » к д и и о г. а' с.>, г. /г. е ~ **
опыт создания легки./ г.ад и.-,г
'Лрукиий. ИспольЭ,.ем Ь-c лр,.чег.,--
тельно к аппарат.. на ьоз_
подушке Для. этой ^,ли. следj--
взять труб» диаметром 6.5 у
ной 30 м из тонкой прочной -.лег.г.,.
например, из лавсана, еверк.'ь г»
в кол ьдо, д на мет р кот орого Ог.а л.е~ -.я
около 10 м. На полеченное коль-'
опять-таки натянуть г.ленг. арм..-
рованную для. прочности полосг.ам
ткани Получившееся «"блюдце* г.
предназначено для создания под-
держивающей силы
Предположим, что суммарный,
вес двигателя, экипажа и топлива
составляет 15 000 Н Так как пло-
щадь «"блюдца* равна 75 м2. тс для
отрыва всего аппарата от земли по-
надобится создать под «"блюдцем*
избыточное давление всего ь
20 Н/м2. Из этого расчета следует
что для поддержания в воздухе та-
кого аппарата на высоте 10—20 см
от земли потребуется сравнительно
малая мощность.
Такие аппараты на воздушной
подушке могли бы найти примене
ние в сельском хозяйстве для. обра-
ботки посевов Однако эти АВП
имеют некоторые недостатки ма-
31
,еМти, она сильно замедляет Тй
ние воздуха и в то же время л^
0Гнбает всевозможные нер0Вн^
поверхности. Расчеты показы^*
цто при такой подушке компресг?
мощностью 30—50 кВт обеспечивав
подъемную силу в 10 тыс. Н.
Кроме уменьшения мощНОсти
щеточная воздушная подуШка «•
зволяет уменьшить размеры Ком.
поессоров, воздуховодов и опорную
площадь- По-видимому,^ в этом^
главное достоинство. Действительно
почему самолеты осуществляют по-
садку на колеса, а не на воздушную
подушкУ? Разве у них не хватает
для этого мощности? Оказывается,
все дело в том, что для подвода воз-
духа от компрессоров к днищу тре-
буются воздуховоды большого се-
чения.
Щетки на днище позволяют со-
слать подушку высокого давления,
ппи котором объемный расход воз-
nvxa мал и его можно подвести по
тпубам, спрятанным в крыльях.
Уменьшая или полностью прекра-
' щая подачу воздуха, можно регулн-
Хать силу трения щеток о взлет-
полосу. воздушная подушка
может оказаться более легкой и на-
дежной, чем колесные шасси.
луЮ скорость Д»и«^узкам0ЙВеР' :
женностьЖ создать эконо-
НеуЖеЛИяпа? умеренных разме-
мичныи апп ар’ у из чего скла-
ров? Проанализируе . пОлета
Дается необходимей А моЩНОСТЬ
мощность Как "„опальна про-
компрессора пр тельности на
изведению произ Д воздуха Для
давление нагнет е^ ли6о
экономичности в Предыдущем
^е.ДлХ малую производитель-
"“малое давление требует больших
размеров аппарата. Поэтому ра
гмотоим второй вариант. Расход
воздуха существенно уменьшаю
гибкими завесами, Располо*е““
по периметру аппарата. Очевидно
что если мы поставим несколько
концентрически расположенных за-
вес, то еще уменьшим утечку возду-
м из-под днища аппарата. Для
большей гибкости завес сделаем
в них множество вертикальных над-
резов. В итоге получим сплошную
нейлоновую щетку, разделяющую
аппарат и поверхность земли
(рис. 16). Такая щетка удовлетво-
ряет одновременно двум противоре-
чивым требованиям. Почти касаясь
ыдх
ПИТ
ПНЕВМОНИКА
И3 Н1” <₽"с П) — взаи
ИС “ т₽ех каналах
dJ1 ? питания, управления и вы
ходном канале) Струя питания
под действием давления р«, и
при отсутствии управляющего дав
ления рупр распространяется прямо
и проходит мимо выходного канала
этом выходное давление рВых
будет равно нулю С появлением
давления рупр возникает еще одна
струя, которая отклоняет струю пи
тания в сторону выходного канала
При угом появится выходное дав
лени».
Так как энергия управляющей
струи значительно меньше энергии
выходной, то описанная схема реа-
лизует простейший пропорциональ-
ный усилитель. В том случае, если
мы хотим увеличить коэффициент
усиления, выходная струя исполь-^
зуется для
ной струей
усиления.
Второе
струи к
нала, если последний расширяется
(рис. 18). Усилитель, использую
щий это свойство, состоит из пяти
каналов, двух каналов управления
управления более мот-
питания второго каскада
Среди научных достижений двад-
цатого века важное место зани-
мает кибернетика — наука об об-
щих законах управления, передачи
и переработки информации. Ки-
бернетика заменяет управляемый
объект его информационной мо-
делью. При этом появляется воз-
свойство — прилипание
одной из стенок ка
можность открывать и изучать
общие законы управления и пере-
работки информации. Для этого
нужны свои технические средства.
Читателям известно, что одним из
таких средств оказалась электрон-
ная вычислительная машина.
Мы сейчас расскажем еще об
одном способе переработки инфор-
мации, принцип которого имеет
непосредственное отношение к ги-
дродинамике. Речь пойдет о струй-
ной автоматике, которая получила
название пневмоники. Термин «пнев-
моника» образован по аналогии с
«электроникой», чтобы подчеркнуть
определенное сходство процессов,
протекающих в воздушных струях
и в электронных приборах.
Вся струйная автоматика
пневмоника — опирается на два
простых свойства в поведении струи.
33
(/Лнрь />унр2), двух ,
рш.1х2) 11 канала пита /
личе давления Ртп "''я. 1,0V
нпя возникает струя %-
лапает либо к правой »°Т°Рач
стенке расширяющего’ 1б() к л
этом она попадет либо Hajla n’)ft
либо во второй выход*
создавая там соответстю «ац И-
леиве. Для примера ML1 £
струю, выходящую в пег. РИс0Ва.8'
Если теперь* в
управления создать давлеМ„и Ка"4
то струя оторвется от
И прилипнет К правой
давление во втором выхппС°ЗДавая
нале даже после того к АИ°М Ка-
ляющее давление исчезне^ пу-
таного усилителя можно Раб°ту
с работой электромагнитно?3**^
Рис. 2U.
ЭЛЕМЕНТЫ СТРУЙНОЙ АВТОМАТИКИ
Кроме пропорционального Vcu
лителя и реле, на основании nBVv
рассмотренных свойств воздушных
струй можно построить все необхо
димые элементы струйной автома-
тики. Например, можно реализовать
логические функции «НЕ», «И»
«ИЛИ», «ПАМЯТЬ», «НЕ—ИЛИ»'
На рис. 19 показан струйный
элемент, реализующий функцию
«НЕ». Здесь управляющим являет-
ся входное давление рВх. Применяе-
мому в электронике заземлению
в пневмонике соответствует выход
струи в атмосферу. Схемы струй-
ных элементов, реализующих функ-
ции «И», «ИЛИ», «ПАМЯТЬ», по-
казаны на рис. 20. Поясним работу
последнего элемента. При появле-
нии входного сигнала рвх питающая
струя отклоняется в выходной ка^
нал, создавая давление Рвых-
каналу обратной связи ДаВЛеНЛ
Р.ых подается на вход и ное
разом поддерживает полу f
состояние до тех пор, пока и
подано давление Дс, котоР°работв
вет сброс информации.
изображенного на рис. *•
34
Ill 11.111л ll< I pl 6\(• | ,,
11 () >| ( H (‘ H II я
I l.i m|h|hkii npii.iiiiiann-,i < t n
MO/KIIO HOC I poll I к <ip\iiin,in ||)И1
I ( p (pile 22). (.ip\H Illi I ;illl!H, I-.I.IK
i4;iioih;ih и i капала /, ч<р< >, боко
н\ю inc. li> поступает в разв<-| вдяю
ШПИСЯ симметричный капал При
,гом она Mo/Kci прпл hiiiivh, либо
к стенке .7 и поступить в канал 5,
либо к стопке 4 и постинги, в ка
нал (> Рассмотрим случай, koi да
струя поступает в канал 5. Эго вы
зовет подсос воздуха из нижней
части кольцевого канала 7. Под
сое будет компенсироваться возд\-
хом из верхней части этого же ка-
нала. Благодаря подсосу возникнет
циркуляционное течение в канале 7,
в данном случае против часовой
стрелки.
Теперь рассмотрим, что произой-
дет, если мы подадим воздух через
канал 2. Хотя входной канал 2 рас-
положен симметрично каналу Л
благодаря циркуляционному тече-
нию воздушная струя направится в
нижнюю часть канала 7, создаст
избыток давления на стенке 3, отор-
вет и направит струю в канал 6.
Если повторить импульс давления
на входе, то стрзя вернется в преж-
нее положение При подаче на
вход 2/1 импульсов в канал 5 посту-
пит п импульсов, т. е. указанный
элемент способен осуществлять
функцию деления.
Для получения большого коэф-
фициента усиления в пропорцио-
нальном усилителе пользуются
устройством с ударной модуляцией.
35
Рис. 23
в котором используется взаимодей-
ствие двух встречных струй (рис. 23).
При подаче управляющего сигнала
во входной кольцевой канал струя
питания усиливается и фокусирует-
ся. При этом плоскость соударения
струй перемещается вправо и дости-
гает входного конца приемного ка-
нала. Это приводит к появлению
давления в выходном кольцевом
канале. Коэффициент усиления по
давлению достигает 200. Такое уст-
ройство может быть использова-
но в операционных усилителях (ин-
теграторах, сумматорах, умножите-
лях).
Для выработки импульсов дав-
ления служат специальные генера-
торы, один из которых показан на
рис. 24. Струя воздуха распростра-
няется вдоль искривленной стенки
и поступает в приемный канал ка-
меры. При этом камера наполняется
воздухом до тех пор, пока в ней по-
явится избыточное давление, кото-
рое вызовет встречную струю. Ос-
новная струя оторвется от искрив-
ленной стенки и камера начнет опу-
стошаться. Эжекционный эффект
струн литания приведет к откачке
воздуха из камеры до давления ни-
же атмосферного. После этого струя
питания возвратится к стенке и
вновь начнет наполнять камеру.
Частота описанных колебаний
определяется емкостью камеры, ам-
плитуда — энергией струи. Кроме
этих основных элементов пневмони-
ки всякая схема нуждается во
вспомогательных элементах, таких
как сопротивления, емкости, диоды,
линии задержки. Сопротивления,
которые необходимы для согласо-
вания различных струйных элемен-
тов, изготавливаются из капилля-
ров, пористых пластинок. Емкости
представляют собой обычные резер-
вуары. Диоды — это каналы, сопро-
тивление которых в одном направ-
лении значительно меньше, чем в
обратном (рис. 25). В качестве ли-
ний задержки используются обыч-
ные трубки.
НАЗНАЧЕНИЕ ПНЕВМОНИЕЙ
лен4^™^’ м-мдимому, удив-
CTnvft U С ПОМ°ЩЬЮ воздушных
соэлят^ простых устройств можно
до сиуЬпВСе Элементы» применяемые
с тем иПОр в электронике. Но вместе
DOC- a~erG мож®т возникнуть воп*
' а зачем это нужно? Учнтыаяя
36
исключительные успехи электрони-
ки, такой вопрос нужно считать со-
вершенно естественным.
Чтобы ответить на это, рассмот-
рим достоинства струйных элемен-
тов. Прежде всего эти элементы
обладают высокой надежностью и
долговечностью. В тех случаях, ког-
да струйные элементы изготавли-
ваются из металла или керамики,
их долговечность неограниченна.
При массовом производстве методом
штамповки струйные элементы ока-
зываются в десятки раз дешевле
аналогичных элементов электрони-
ки. Высокая повторяемость обеспе-
чивает стабильность характеристик
струйных элементов, упрощает та-
кую трудоемкую операцию, как на-
стройка собранных приборов пнев-
моники. При этом снижаются экс-
плуатационные расходы, отпадает
нужда в специалистах высокой ква-
лификации.
Элементы пневмоники оказались
стойкими к агрессивным средам, к
радиации, к электрическим и маг-
нитным полям, способны работать
при высоких (более 500° С) и низ-
ких температурах, хорошо перено-
сят вибрацию и даже большие удар-
ные нагрузки. По размерам совре-
менные струйные элементы кла
дываются в прямоугольник 10 X
X 10 X 5 мм и могут быть еще
уменьшены, особенно при блочном
и модульном изготовлении приборов
пневмоники
Что касается быстродействия
струйных элементов, то оно опреде
ляется их рабочей частотой, кото
рая в существующих серийны:
37
9. ieMCH । (>1’
.elM'rn;i \ Д‘>спп
} мепьшенпем p<i
‘l;,e,vr:‘ °^к'1чеетв<| позволяют но-
„X”Xmv‘ »
XI электроники завоевала призна-
ние пневмоника.
Электронные приборы не выдер-
живают высоких температур и силь-
нон раднаиип, поэтому автоматиче-
гкое еиравленне атомными реакто-
рами осуществляется дистанцион-
ными средствами, а это уменьшает
надежность работы автоматики.
Устройства струйной автоматики
можно размещать в непосредствен-
ной близости от объектов управле-
ния, вблизи активной зоны реакто-
ра. То же самое можно сказать об
автоматическом управлении реак-
тивными двигателями, паровыми
котлами, турбинами и другими энер-
гетическими установками.
Есть и еще одно важное преи-
мущество пневмоники — это просто-
та согласования с исполнительны-
ми элементами. Электромеханиче-
ские устройства, которые связывают
элементы электронной автоматики
с управляемым объектом, всегда
оказываются узким местом и по на-
дежности, и по весу, и по быстоо
Действию. иыстро-
самелета. Изадсч
л пронорплинсладц
его нро'никщ .
\\л ' слсдуочу
я \И)СД\|
1ИЧ'
квадрату длины
что имеющаяся
размеров са молотов
влечет за собой умены11е|
нам пиеской жесткости Ие
жесткости крыла. ’ °С(
К чему же это нрпВод
дому ясно, что крыло Должно к -
достаточно прочным, чтобы °blT1
силы тяжести, приложенной М°м.ен1
зеляжу, ' -----
приложенной к крылу, Не м '
поломать. Однако в атмосфер
исходят возмущения, которые
зывают импульсное изменение
динамических сил и приводят
явлению динамических
В результате длительного
этих нагрузок нарастают колебани
крыла. При малой жесткости
струкцпи колебания достигают
чительной
привести
шению.
тенденция 1>оП.
непременна
их ад.
и<естмк'ти, °(''бе1нн
Каж
тя жести,
, и аэродинамической К ^10
"'""'ЧЧ к крылу, ип .. СИлЫ
егс
про-
вы-
е аэро.
7 к по-
НагРУзок.
Действия
ля
кон-
зна-
амплитуды. Это может
к усталостному разру-
Чтобы этого избежать, прихо-
дится увеличивать запас прочности
крыла, уменьшать срок эксплуата-
ции самолета. В настоящее время
у нас в стране и за рубежом ведут-
ся исследования по компенсации
Струя воздуха, после достаточ-
ного усиления, может быть непо-
средственно использована для целей
управления с помощью простого и
надежного пневматического приво-
да. Так например, на основе струй-
ных элементов был создан карбюра-
тор бензинового двигателя, который
автоматически регулировал подачу
рабочей смеси в зависимости от на-
грузки двигателя. В этом случае
воздушная струя использовалась
непосредственно для приготовления
рабочей смеси.
Рассмотрим еще одну возмож-
ную область применения пневмони-
ки. Для этого нужно познакомить
читателя с одной актуальной проб-
13 свяванной С аэродина-
проблемой динамической
колебании крыла с помощью авто-
магически управляемых закрылков,
илй е^°Д состоит В бедующем. Ка-
кои-либо датчик регистрирует изгиб
крыла. Слабый электрический сиг-
нал датчика усиливается до вели-
чины,^ которая оказывается доста-
точной для перемещения золотника
гидравлической системы. Теперь
вступает в действие закрылок, ко-
торый отклоняется в ту или иную
сторону. Отклоненный закрылок из-
меняет аэродинамическую нагрузку
на крыло. Если отклонение осу-
ществлять вовремя и на достаточно
большую величину, то можно чао*
тично скомпенсировать действие*^
мосферных возмущений^ и У»
всяком случае, не допустить
ки крыла,
38
По одному только описанию этой
системы управления можно судить
о ее сложности и громоздкости.
Применение для этих же целей сис-
темы струйной автоматики значи-
тельно упрощает все устройство.
Для измерения вертикальных коле- экранопланы
баний крыла можно использовать
изменение разности аэродинамиче-
ского давления в верхней и нижней
плоскостях крыла (рис. 26). Два
канала, соединяющие верхние и
нижние отверстия, могут подводить
две управляющие струи к струйно-
му пропорциональному усилителю.
Струя питания может быть создана
с помощью отверстия в передней
точке крыла. Несколько каска-
дов усилителей позволят получить
управляющую струю, мощности ко-
торой будет достаточно, чтобы по-
ворачивать закрылки.
Еще более заманчиво использо-
вать полученную струю для созда-
ния струйного закрылка. Так назы-
вается струя, выпускаемая из зад-
ней кромки крыла. Исследования
показали, что такая струя может
эффективно изменять подъемную
силу. Применение пневмоникн по-
зволит отказаться от дистанционных
измерений и управления, от тяже-
лых гидропроводов и 1
дов Все это повысит на
быстродействие системы
менным уменошением в<
На море часто можно видеть
птиц, которые летят у самой поверх-
ности воды. Низко над гладью озер,
рек, морей и даже вдоль дорог лю-
бят летать птицы. Чем вызвано та-
кое стремление птиц приблизиться
к твердой или жидкой поверхности?
Ответ на этот вопрос можно полу-
чить. ознакомившись с теоретически
ми и экспериментальными результа-
тами исследования аэродинамиче
ских качеств крыла при движении
вблизи твердой поверхности (экра
на). Напомним, что качество крыла
определяется отношением подъем
ной силы к силе лобового сопротив
ления. Оказывается, по мере умень
шения расстояния между крылом и
экраном качество крыла возрастает
в полтора, два и более раз. Следо-
вательно, птицы пользуются поле-
том над экраном для экономки сил.
Но проблема экономичности по-
лета важна не только для птиц, ио
39
, для летательны» аппаратов, со-
аммемых человеком. Именно это
привело к появлению экранопланов.
Отличие экраноплана от низко ле-
тящего самолета обусловлено тем,
что расстояние между крылом и эк-
раном должно быть меньше, чем по-
ловина хорды крыла, так как только
при такой близости к экрану про-
являются его положительные свой-
ства.
По асфальту проще катиться на
колесах, чем летать над ним. Над
землей особенно низко не спустишь-
ся, так как обязательно зацепишься
за деревья, холм или строения. Ос-
тается водная гладь, которой, к со-
жалению, присуще непостоянство.
Волны на море Огп
зость к экрану Ол "Ичийй^
ить гигантский иднако eer.a,°T r
МИ крыльями выгпа'<Олет сИ,"°сто1''
увеличить настолько^ "Олета
над океанскими вол?’ Чт°бы 0*н0
ясияется появленийЗн&Ч
проектов экпяи^. Ие за Им or.
весом 107 НРпас"Лан°в с пРубе>КоЪь
временную '„'ёр^'^нных
жиров. 1’е»о-,ку на „Д1)м
в настоящее
нока ограничиваичРе1Ия все
^спеРнментальнымиСЯ НебОль?а°ь'
На таких мащИнах п аппара?йми
дования по выбоп„ "₽Ов°Дят
новки И решают ₽Zo Лу',,и<Л
“°С™ и УлРввляем:Х₽ОпХ^.'
ЧЕЛОВЕК ИДЕТ ПО ВОДЕ
ТИХИЕ АПЛОДИСМЕНТЫ
ПОД ВОДОЙ
Можно ли ходить ио воде' Как
ни велико желание человека при-
йтись по поверхности води, ем. это
никогда не удавалось. Если не при,
нимать во внимание историю. нр, -
веденную в Евангелии, человек’,
удается только бродить ио мелкой
воде. Именно не ходить, а бродить,
т е. едва плестись
Когда мы бредем по воде, тс
сталкиваемся с двумя противоречи-
выми обстоятельствами С одной
стороны, вода оказывает большое
сопротивление движению ног вперед
(эта сила особенно велика, когда
мы пытаемся идти быстрее), а с
другой стороны, эта же самая вода
мало сопротивляется опусканию
ступни на дно, так что постоять на
воде нам никогда не удается. По
пытаемся объяснить эти факты
Проделайте следующий экспери-
мент. Опустите ладони в воду и не
спеша сведите их вместе. Такое
движение потребует от вас неболь-
ших усилий. Попытайтесь теперь
часто похлопать ладонями. И хотя
максимальная скорость движения
ладоней теперь будет меньше, от
вас потребуются очень большие
усилия.
В первом случае ладони двига-
лись почти с постоянной скоростью
и испытывали только гидродинами-
ческое сопротивление воды, которое
при небольшой скорости совсем не-
велико. Во втором случае ладони
меняли направление движения и ве-
личину скорости, т. е. двигались с
ускорением и испытывали не только
гидродинамическое сопротивление,
которым можно в этом случае пре-
небречь, но и силу, вызванную
инерцией окружающей воды.
Эта сила, км любая другая,
подчиняется закону Ньютона, т. е.
пропорциональна ускорению и мае
се, участвующей в движении.
Какая же масса лча «ви
жении когда тело дви ается в
воде? Тело приводит в вижеЯНг
Причем близлежащие слои двига-
ются со скоростью самого тела, бо-
лее удаленные в меньшей степени
вовлекаются в движение. И только
бесконечно далекие от тела части-
цы жидкости остаются неподвиж-
ными.
ПРИСОЕДИНЕННАЯ МАССА
Для того, чтобы пользоваться
законом Ньютона, удобно ввести по-
нятие присоединенной массы. Это
такая фиктивная масса, которая,
будучи добавлена к массе тела, за-
менит инерционное воздействие всей
жидкости. Особенностью присоеди-
ненной массы является то, что ее
величина зависит не только от гео-
метрии тела, но и от направления
его движения.
Возьмите простую линейку.
Обычная ее масса не зависит от
того, в каком направлении она бу-
дет двигаться. Если же опустить
линейку в воду, то при поперечном
движении она будет увлекать боль-
Вычисление величины нрисоеди.
«иной массы дли тел различной
1\„мы представляет довольно слож-
Фор чяпачу математической фИзи.
НУ'° Однако имеется простой и
КИ' „ точный способ экснеримен-
ОЧпк,юго определения величины Ири.
:а0ел емкой массы любого тела.
Если тело подвесить на тонкой
„ длинной ВИТИ, ТО получится фИ.
орский маятник, частота колеба-
3 “ «птооого, вообще говоря, зави-
НИИ от длины маятника I, его массы
иИ веса (рис- 27). В обычной фор-
ппя частоты колебании мате-
матнческого маятника. которая
равна
1
П ~ ~2л
g
I
шую массу воды, а при движении
в своей плоскости оставит жидкость
почти неподвижной.
масса в явном виде не фигурирует,
но она, с одной стороны, содержит-
ся в числителе, образуя в произведе-
нии с ускорением свободного паде-
ния g величину веса, а с другой
стороны, она стоит в знаменателе
уже как масса маятника. Таким об-
разом, частота колебаний маятника
в вакууме не зависит от массы.
Если же этот маятник поместить в
жидкость, например, в воду, то час-
тота колебаний уменьшится.
Теперь формулу для частоты
можно приближенно записать в
следующем виде:
л= 1/
2л т I (mx -f- m2)
Здесь mi — масса тела;
Р — архимедова сила,
направленная
вверх;
m\g — Р — вес тела в воде;
т2 — присоединенная
масса жидкости;
Wf + т2 — полная масса ма-
ятника.
Формула эта приближенная» так
как в реальной жидкости на
ник будут действовать еще и сил»
вязкости. Но если амплитуда ко?!
баний маятника будет малой, I W
,|;J до('|3'ючно высокой, зо элим
ндцянием можно пренебречь. Для
понышсния 1 очное! и определения
присоединенной мисси можно под-
лгсиП' тело на пружине.
Marcy самою тела пц можно
определить ио весу тела в вакууме
Разность mtg Р равна весу ^то-
го же тела в жидкости. Частота ко-
лебаний п с большой точностью
определяется в процессе экспери-
мента. Из этой формулы мы можем
найти искомую присоединенную
массу. Подвешивая тело по-разному,
можно определить присоединенную
массу при разных направлениях
движения тела.
Бредущий по воде человек
является не очень хорошим приме-
ром проявления присоединенной
массы, однако даже в этом случае
можно видеть ее влияние. Медлен-
но опускающаяся ступня почти не
испытывает сопротивления, в то
время как для передвижения ноги
вперед с ускорением требуется боль-
шое усилие. Попытка же аплодиро-
вать под водой вообще окажется
безуспешной, как ни сильны бы-
ли бы эмоции, вызвавшие эти апло-
дисменты. Это обстоятельство объяс-
няется большой присоединенной
массой раскрытых ладоней, двигаю-
щихся перпендикулярно своей плос-
кости.
тол кает ЛИСТ '
превосходящей ее собствен
аз При этом
I погрузиться
силы реакции
присоединенная масса
в сотни раз
> массу са
дальше типе- чжс придется не бе-
жать, а плыть.
Бегущая птица т
силой,
ный вес в несколько р;
лист почти не успевает
в воду. В создании
участвует
листа, которая может i
превосходить реальную ________
мою листа. Порывистые движения
ног и широко расставленные длин-
ные пальцы птиц весьма подходят
для такого перемещения.
В большой степени используется
присоединенная масса человеком,
пересекающим реку во время ледо-
хода. Правда, он старается выби-
рать льдины покрупнее, запас пла-
вучести которых достаточен, чтобы
удержать
выбирать
нередко
льдины,
чтобы на
статочны, чтобы от них оттолкнуть-
ся. Толчок, который они способны
выдержать, зависит не столько от
их плавучести, сколько от их соб-
ственной и присоединенной массы
В книгах о жизни гренландских
эскимосов описывают прием, с по-
мощью которого они перебираются
через крупные трещины в ледяных
полях. Эскимосы убивают медведя
(разумеется, белого), сбрасывают
его в трещину. А затем двойным
человека, пока он будет
новую льдину Однако
приходится использовать
которые слишком малы,
них стоять, но вполне до-
ПО ВОДЕ МОЖНО БЕЖАТЬ
Однако пора вернуться к вопро-
су, стоящему в начале главы. Мож-
но ли ходить по воде? Оказывается,
что при определенных условиях
можно. Например, некоторые бо-
лотные птицы бегают, если не по
самой воде, то по плавающим на
ней листьям. При этом нужно, ко-
нечно, иметь в виду, что сами
листья очень тонкие, тяжелые и об-
ладают очень малой плавучестью,
так что если птица задержите* ив
одном из них хотя бы иа несколько
«кунд, лист опустится в вожу *
прыжком, отталкиваясь от плаваю-
щего в воде медведя, перепрыги-
вают через трещину Удельный вес
медведя мало отличается от удель-
ного веса воды. Поэтому, если
встать на него, он быстро пойдет
под воду. Но для толчка это ника-
кого значения не имеет. Важна
только масса медведя и его присое
дмнеяная масса. Вот этим и поль-
зуются эскимосы.
Еще больший вклад присоеди
ненкой массы «вблюдоется в слу-
чае деформации упругой поверх-
ности, опирающейся «а жидкость
Например, «то важко учесть ори
исследовании колебаний упругой
оболочки ракеты, наполненной
жидким топливом. Однако ракета —
это слишком специальная проблема.
Выберем что-нибудь более обще-
известное.
В книге замечательного русского
дипломата А. А. Игнатьева «Пятьде-
сят лет в строю» есть живописное
описание скачек по тонкому льду
Ботнического залива, в которых он
принимал участие. Особенность этих
скачек состояла в том, что тонкий
лед не мог удержать лошадь и се-
дока. Спасение их было только в
движении, только в скорости. Дело
в том, что при прогибе льда про-
исходит перемещение воды. Резкий
прогиб требует большой силы для
преодоления инерции присоединен- на глиссирующую поверхность с
ной массы воды. Вот эта сила и силой
Для У ГОЮ И у Ж Но
разреза'» ь ее ла нес
лоси. Уложенные
они должны обра зонам,
длиной 40 50 м е иачалм)ой
ной 2 м и конечной 1Ни|)И||()> -
По краям ни пн иннют дИ(. Н(. ’°
к которым н npiiKpeiij|>IK)1 **
фанеры. Затем ........
дят па воду и с помощью
укрепляют перпендикулярно
ВЗЯТЬ фанеру
сужающиеся 1|()’
последовательно
'1орожКу
IHMpii
-,> М.
|И‘НКН,
Л НИ |,1
ЭТУ дорожку ВЫ11О
'• ........ якоря
К бс-
J "v так что первый и самый боль-
Р й лист почти касается берега.
"1( Состязание будет состоять в том,
•гибы пробежать но этой дорожке,
по «тонкому льду», как можно даль-
. Можно с уверенностью сказать,
в жаркие летние дни на берс-
*х морей, рек и озер такой вид
состязания будет пользоваться боль-
шой популярностью.
Попытаемся определить, с какой
скоростью должен бежать человек
по гибкому помосту, чтобы не по-
гружаться в воду. Помост под бегу-
щим человеком прогнется на неко-
торую глубину. Часть помоста, рас-
положенного перед ним, займет на-
клонное положение (рис. 28). Этот
участок будет перемещаться вперед
со скоростью движения человека.
При этом давление воды на помост
оказывается почти таким же, как
и при скольжении по воде наклон-
ной плоской поверхности. Отличие
будет только в том, что в рассмат-
риваемом случае отсутствует каса-
тельное движение плоскости отно-
сительно воды, и следовательно, от-
сутствует трение о воду. Вода давит
позволяла лошади отталкиваться от
тонкого льда.
~ nkpv2aba.
БЕГ ПО ТОНКОМУ ЛЬДУ
Понимание этого явления не
уменьшает опасности такого вида
спорта. Однако мы можем предло-
жить спортивное состязание, кото-
рое не содержит никакой опасности.
В этой формуле использованы
следующие обозначения: Rv —сум-
марная сила давления на по-
верхность, направленная вверх,
v скорость движения поверх-
ности, м/с;
a ~~ продольный размер глиссирую*
шей поверхности, м;
ь ее поперечный pa iM< p, M
p ПЛО1НО(1Ь НОЛЫ, ki/m ’ ’
а уiил наклона, рал,
/, мпсримспмы/ыи' к.,,ли..,,,,.
<"'• к.иорин с лолаточ,,,,^
„рак.ики 7очио<тьк, мож„о я
ЧИСЛИТЬ но формула u
Будем считать, что ширина но
моста равна длине его наклонною
участка, т е а ~ b Тогда k -
«0,3333; nk~ I
Угол наклона а определим через
величину а и допустимую глубину
прогиба помоста h
h
а = ~-
Учитывая, что плотность воды
равна р = 1000 кг/м3, получаем
окончательную формулу для си-
лы /?:
R ~ 500и2оЛ.
Для примера зададимся ско-
ростью 5 м/с, шириной помоста а =
= 1 м и весом бегуна 700 Н. Тогда
прогиб h будет равен примерно
6 см. Исходя из этих расчетов, мы
и выбрали начальную ширину гиб-
кого помоста, предназначенного для
состязаний.
ПЕРЕПРАВА БЕЗ МОСТА
Рассмотрим возможность ис-
пользования гибкого помоста для
создания переправы через реку.
Представим себе переправу, состо-
ящую из ряда досок, лежащих на
воде и связанных между собой тро-
сом, так что они образуют сплош-
ной помост. Ясно, что если машина
выедет на такой помост, то она за-
тонет. Однако при достаточно быст-
ром движении машины доски под
ней будут испытывать со стороны
воды достаточно большую реакцию,
чтобы поддерживать ее.
При ра»ч<г .ц*
рости машины будем мр’-игбр*.*ть
плавучестью и массой .. . ,, а та*
ж. «а юрами м< л.ду ними В .
зусмся предыдущими 4>4>w . 4Mh и
такими данными Р * ЗОЦДОН.
h « 0.2м, а =» 5м Тогда мы маАдг*
что скорость движения машким
юл ж на быть не меньше Я* км/ч
Нашими расчетами л. » rpyv/мж
машииы едва ли воспользуется »?.
кой либо шофер Ои вред1.
сделать большой крюк, чем
ехать по такой переправ» Хот» м<
следует исключать так но стечем* ►
обстоятельств, когда другой .*
ности вообще не будет
Чтобы проверить правильность
наших расчетов, не дол и аясь та
ких исключительных обет /тельств
вычислим, каким должен быть по
мост, чтобы по нему мо*но был»
проехать на велосипеде Примем
вес велосипедиста с велосипедом
равным Р = 1000 Н, скорость его
движения v — 5 нс, допустимую
глубину погружения 0,1 м Тогда
ширина помоста будет равна а =
= 0,8 м
•СЕКРЕТЫ. ПЛАВАНИЯ КАЛЬМАРА
Присоединенная масса имеется
у каждого плавающего под водой
тела. И как всякая масса, она про
являет себя только при неравномер-
ном движении. Для плавания под
водной лодки с постоянной ско-
ростью нужно уравновесить только
силы гидродинамического сопротив
ления, которые от массы лодки и
от ее присоединенной массы не за
висят. В то же время длина пути
разгона и торможения будет опре-
деляться кинетической энергией, ко-
торая, кроме скорости, зависит от
общей массы лодки. Криволинейное
движение всегда сопровождается из-
менением скорости в зависимости от
направления. При этом возникает
центробежная сила, пропоршюмль
иая сумме массы подводной ложки
47
„ «яссы. Это об-
ппвсоединенноа сильно ска-
"ее »£ •“’неЧИ0 „^сЛ да,,к"
стоятельство. маневренностн и
изме-
зывается на енИИ лодки
Если при двИ*оСть, а масг<
оатся только скун Кальмара
,тается постоянной. Т к
меняется и скоро ДЛзуется гпдр<>-
мар. «ан изве.СХтелем В отличие
реактивным Д ов которые ра
от водометных СУД иче. двига
тают в непреР“н«“тРет в „„„ульс-
тель кальмара раб иик.1а каль-
НО.М режиме- Вна мускуль-
мар набирает воду ичн0 вы-
ный мешок, а мт воронку,
ххгкцию —
₽епХ^Ч;ИеХинемх
кальмара и несколько раз.
rSS'усХнпе при неизменной
силе обратно пропорционально Ма(._
•<> го при движении кальмара оно
возрастае! и достигает в конце инк
.,а большого значения. Выбросив
всю воду и< мешка и достигнув зна-
чительной скорости, кальмар неко-
торое время двигается по инерции,
теперь уже с отрицательным уско-
рением. 1^скольку в этот момент он
имеет минимальный объем, то и гид-
родинамическое сопротивление его
оказывается минимальным.
Новый цикл, начинающийся
с набора воды, сопровождается уве-
личением обшей массы, и следова-
тельно резким уменьшением ско-
рости движения. Этот момент явля-
ется весьма подходящим для любо-
го изменения направления движе-
ния Таким образом, становятся по-
нятными секреты скорости и удиви-
тельной маневренности кальмаров.
ДИНАМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
В ЖИДКОСТИ И ГАЗЕ
члКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ
, В 11еРв°й главе мы рассмотрели
эффекты, вызываемые статическими
силами, которы возникают в не
подвижном или медленно ни«
щемся воздухе или воде Б- ее им
тересны и боле< часто встречаюто
процессы, при которых жидкость
или газ быстро движется, ил<
быстро перемещаются тела в гой
среде. В этих процессах главку»
роль играют силы динамическое
происхождения К изучению таки-
процессов мы и приступим
Основное уравнение гидростате,
к и (2) содержит составляющею
(>SZ, которая представляет потенци-
альную энергию единичного объема
жидкости, отсчитываемую от уров-
ня z = 0, где давление равно из-
вестной величине Естественно ве
личины р и ро тоже интерпретиро-
вать как энергию статического на-
пора. Так как справа от знака ра
венства стоит постоянная величина,
то уравнение (2) выражает собой
закон сохранения энергии.
В том случае, если жидкость
двигается с некоторой скоростью v.
единичный объем ее будет обладать
кинетической энергией
а закон сохранения энергии запи
шется следующим образом:
Р ---------2” Р1*2 = const. (4)
Полученное выражение является
основным уравнением гидродинами-
ки и называется уравнением Бер-
нулли.
Следует отметить, что закон
сохранения энергии в таком виде,
как мы его записали, точно выпол-
няется только для жидкости, пол
ностью лишенной вязкости (идеаль-
ной жидкости). Реальная жидкость
всегда обладает вязкостью, благо
даря которой часть механической
энергии превращается в тепловую,
нарушая этим справедливость урав-
51
нения Бернулли. Однако в том слу-
чае, если вязкость среды мала, как
например, у воды, воздуха, это
уравнение выполняется достаточно
точно. Легко понять, что уравнение
Бернулли, выражающее закон со-
хранения энергии, одинаково спра-
ведливо как в неподвижной системе
координат, так и в любой равно-
мерно движущейся системе.
ВОДА ВЫТЕКАЕТ ИЗ СОСУДА
мая скорость истечения —. v
вень — 20. Очевидно, ЧТо °* а ур0
= Н. Тогда 1 " г0
Pi 4~ P£2i ~;л 4- 4- рио
откуда ______
Ц, = 1Z 2g/У y
r том случае, если давление под
..«ой равно внешнему давлению,
крышко р эта формула упр0.
Т ается и принимает следующий вид;
ШЗе и0 = .
В этом случае скорость истече-
ния жидкости совпадает со ско-
ростью тела при его свободном па-
дении с высоты Н.
Мы уже говорили о приближен-
ном характере уравнения Бернулли.
Чтобы учесть возникающую из-за
вязкости погрешность, формулу для
скорости истечения записывают та-
ким образом:
Ц> = С V 4- Pi — р0 ,
где £ — экспериментально опреде-
ляемый коэффициент, независящий
от величин Нир. Для круглого
отверстия этот коэффициент лежит
в пределах от 0,95 ло 0,99, т. е. мало
отличается от единицы.
ско-
Прежде всего определим
рость истечения жидкости из отвер-
стия в резервуаре (рис. 29). Давле-
ние под крышкой резервуара на
уровне свободной поверхности обо-
значим через pi, а атмосферное дав-
ление — через Ро. В общем случае
эти давления будут различными.
Расстояние от отверстия до свобод-
ной поверхности обозначим через
Я. Допустим, что площадь попереч-
ного сечения резервуара во много
раз больше отверстия. Это условие
позволяет нам считать, что скорость
опускания свободной поверхности
“ 0. Давление на уровне свобод-
ной поверхности равно рь Сам уро-
вень обозначим через Zt. У самого
давление равно р©,иско-
КИПИТ ХОЛОДНАЯ ВОДА
Рассмотрим течение жидкости
(воды) в горизонтально располо-
женном трубопроводе переменного
сечения (рис. 30). В этом случае
потенциальная энергия pgz будет
одинакова для всех точек жидкости
и уравнение Бернулли несколько
упростится:
Pi 4- Pt>? = р8 4- -$гР&
Первую точку отсчета выбере*
в широкой части трубы, где
Шадь поперечного сечения
ка. Вторую точку выберем £:381й6
узком сечении с площадыо St*
через трубу протекйтВЖЯ
некоторое количество жидкости
то скорости
_ Q
Vi Sr ’ s2
Q,
Q
Запишем уравнение Бернулли и
Pi +
Р<22
2Sf
PQ2
2S|
определим давление в узкой части
Р‘> — Pi —
Р<?2
2
J________1_
с2 о2
° 2
откуда следует, что давление умень-
шается по мере сужения трубо-
провода и может обратиться в
нуль. Это приведет к кипению хо-
лодной воды. Такое явление наблю-
дается не только в трубах, но и
при работе многих гидравлических
машин. Когда мы будем рассказы-
вать о работе гидротурбины, то ос-
тановимся на этом явлении более
подробно. Здесь же только отметим,
что эффект снижения давления в
узкой части трубопровода исполь-
зуется при создании эжекционных
насосов, в пульверизаторах, которы-
ми разбрызгивают одеколон, герби-
циды или краски. Кроме того, изме-
ряя давления в точках pi и р». легко
вычислить расход воды Q. На этом
принципе построены некоторые кон-
струкции расходомеров.
ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ПОТОКА
Наиболее широко применяе-
мые в настоящее время приборы
для измерения скорости движения
жидкости также основаны на ис-
пользовании связи между давле-
нием и скоростью, которая следует
из уравнения Бернулли. Поставим
в поток две трубки, как это изобра-
жено на рис. 31.
Записав уравнение Бернулли
для двух точек, одна из которых на-
ходится на срезе прямой трубки, а
другая на срезе изогнутой трубки,
где жидкость останавливается и
скорость становится равной нулю,
получаем
I 2
Л += Pl
Уровень водяного столба в пер-
вой трубке будет равняться давле-
нию pi, а во второй трубке — р».
Разность уровней h равна кинети-
ческой энергии потока, по которой
я вычисляется скорость потока.
63
СТОЛКНОВЕНИЕ КОРАБЛЕЙ
Приведем здесь описание трех
крупных морских катастроф, объяс-
нение которым можно найти опять-
таки с помощью уравнения Ьер-
н\лли.
' В октябре 1911 г. на внешнем
рейде Саутгемптона в Англии про-
изошла одна из крупнейших аварий.
Катастрофа произошла следую-
щим образом. Пассажирский паро-
ход «Олимпик» водоизмещением
52 тыс. г, длиной 260 .м, шириной
около 30 м, с осадкой 10 м шел
в одном направлении с английским
крейсером «Хаук» (водоизмещение
7500 т, длина НО м, ширина 18,3 м,
осадка 7,2 м). «Хаук», обгоняя
«Олимпик», имел скорость около
34 км/ч. а «Олимпик» — 25 км/ч.
Расстояние между судами не пре-
вышало НО м. После того, как пе-
редняя часть крейсера «Хаук»
сравнялась с кормой «Олимпика»,
крейсер быстро отклонился в сто-
рону парохода и ударил его в пра-
вый борт, несмотря на то, что руль
должен был повернуть его в про-
тивоположную сторону. Оба кораб-
ля получили серьезные повреж-
дения. г
В начале XX века на манеВо
французского военного фЛот/
Средиземном море с эскадре,»
бпоненосм «Брепнуе» (волоиз «
шенне п 395 т, скорость 35 км/ч,
вызвали флажными сигналами 0Ди
3 миноносцев, чтобы дать ему СДоН
весные указания. Миноносец, Про.
хотя на большой скорости и на не-
большом расстоянии от «Бренну^
с правого его борта, вдруг неожи-
данно резко изменил направление
движения в сторону броненосца и,
попав под его форштевень, был ра3-
пезан пополам и утонул.
р В октябре 1942 года лайнер «Ку-
нн Мери» (водоизмещение 81 тыс. т,
длина 314 м) шел из США в
Англию имея на борту около 15 тыс.
американских солдат. Лайнер сле-
ппиял под конвоем крейсера «Кю-
оасоа» (водоизмещение 4290 т, дли-
Р 137 м) и шести эскадренных ми-
ноносиев. Внезапно крейсер «Кк>-
пасоа» шедший параллельным кур-
сом резко повернул влево, подста-
вил себя под форштевень лайнера
® был разрезан на две части.
На всех этих судах плавали
очень опытные капитаны и стояли
внимательные штурвальные, так
“о искать объяснение этим ката-
строфам в их поведении нельзя.
Причину следует искать в законах
гидромеханики.
Рассмотрим картину течения
воды возле двух кораблей (рис. 32).
Что видит наблюдатель, стоящий
на одном из них? Вдали от кораб-
лей скорость воды всюду постоян-
ная, неизменным будет и давление
в любой горизонтальной плоскости.
Между кораблями жидкость, ст^'
ненная бортами, будет вынуждена
двигаться быстрее. Запишем УРа®
нение Бернулли для двух точек’^
жащих вблизи свободной повер>
ности жидкости. В обеих д.
давление будет одинаково и
атмосферному давлению*
- * '
gZj 4- -у- •» 4-
54
(Следовательно, в той точке, где
скорость больше, уровень воды бу-
lCi меньше. Разность уровней с
внешней и внутренней сторон кораб-
лей и вызовет их стремительное
сближение.
Пусть средний уровень воды
между кораблями понизился всего
на 20 см. При длине корабля 137 м
это приведет к появлению боковой
силы, равной 274 000 Н. Ясно, что
попытка отвернуть нос корабля с
помошью рулей в этом случае при-
водит к появлению дополнительной
силы, сближающей корабли. По-
этому представляет интерес ре-
комендация, содержащаяся в ста-
ринных руководствах по мореплава-
нию: если нельзя избежать столк-
новения, то толкай первым.
Конечно, авторы этой рекомен-
дации исходили прежде всего из
того факта, что именно тот корабль,
который толкает своим форштевнем
борт другого корабля, имеет наи-
большие шансы сохраниться. С точ-
ки зрения гидромеханики интересно
то обстоятельство, что выполнить
рекомендацию старинного руковод-
ства легче, чем избежать столкно-
вения. При сильном сближении
двух кораблей соотношение гидро-
динамических сил таково, что ко-
рабль послушается руля, если его
разворачивать носом к борту друго-
го корабля.
Что касается новых руководств
для капитанов, то они, конечно, не
отменяют законы гидромеханики,
а исходя из них, накладывают огра-
ничения на скорость и допустимое
сближение идущих параллельным
курсом кораблей.
ШАРИК ВИСИТ В ВОЗДУХЕ
С помощью уравнения Бернулли
можно дать объяснение еще одному
любопытному факту. Предлагаем
читателю проделать следующий
опыт, для которого ему не понадо
бится ничего кроме куска аптекар-
ской резиновой трубки длиной 20—
25 см и шарика для игры в пинг-
понг.
Наденьте один конец трубки на
водопроводный кран, частично за-
щемите другой ее конец и подними-
те его кверху. Постепенно открывая
кран, добейтесь, чтобы у вас полу-
чился небольшой фонтанчик, по-
добный питьевому. На струйку фон-
тана осторожно опустите шарик
SS
Чги е ним произойдет? Можно ожи-
дать, что шарик не удержится на
вершине струи, соскользнет вбок и
упадет.
На самом деле какая-то, непо-
нятная пока, енла не позволяет ша-
рику отклониться в сторону от
струи. А располагаясь нал струен,
он не может ни опуститься вниз,
так как его подпирает струя, ни
подняться вверх, так как его тянет
вниз сила тяжести. Так и висит этот
шарик, медленно вращаясь В()Круг
своей о< и.
Этот опыт будет еще более
эффектным, если воспользоваться
узк<)Й струей воздуха, направленной
вертикально вверх. Гакую струю
можно получить, например, с по-
мощью пылесоса, на котором пред,
«зрительно нужно переставить
шланг со стороны всасывания На
сторону нагнетания, а отверстие в
шланге частично закрыть пальцем.
Вначале шарик нужно положить на
струю воздуха, направленную вер-
тикально вверх. После этого вы мо-
жете раскачивать струю в доволь-
но широких пределах — шарик, как
привязанный, будет следовать за
струей. Чтобы понять, какие силы
удерживают шарик в воздухе, рас-
смотрим картину течения воздуш-
ной струи при несимметричном рас-
положении шарика (рис. 33). Ша-
рик стесняет поток со своей левой
стороны и вызывает увеличение ско-
рости струи. Этому способствует и
вращение шарика по часовой стрел-
ке Увеличение скорости приводит к
уменьшению давления в этом месте
по сравнению с остальными участ-
ками струи, где оно равно атмос-
ферному. Благодаря этому и появ-
ляется сила, всегда направленная
к центру струи, которая не дает ша-
рику оторваться от воздушной струи.
ЭФФЕКТ МАГНУСА
Все теннисисты и игроки в пинг-
понг хорошо знают, что закручен-
ный мяч подвергается действию
значительной аэродинамической си-
лы, которая сильно изменяет тра-
екторию полета мяча, затрудняя
нтру противника.
Этот эффект носит имя Магнуса,
казанное явление можно наблю-
дать на следующем простом опыте,
возьмите лист плотной бумаги,
его в тРУ<5ку и заклейте
ран. Если теперь такую трубку ***|
56
.pulin' скаппься с наклонной по
щфхнос'и, н) можно заметить, что
при падении трубка значительно
отклонится °* обычной траектории
и coHcpniHT планирующий полет в
направлен ни, противоположном ожи-
даемому.
рассмотрим картину течения
воздуха. обусловленную падением
вращающейся трубки. Движение
воздуха удобно рассматривать в
системе координат, связанной с ци-
линдром. В такой системе ось ци-
линдра будет неподвижна, а воздух
будет набегать на него.
В качестве иллюстрации можно
воспользоваться тем же рис. 33, ко-
торый пояснял течение возле ша-
рика.
Левая сторона цилиндра вра-
щается в сторону движения воздуха
и тем самым увеличивает его ско-
рость. Правая сторона цилиндра
вращается навстречу основному по-
току, и в этом месте скорость тече-
ния уменьшается. Согласно уравне-
нию Бернулли, давление слева
будет меньше, чем справа. Это и
приведет к появлению силы, кото-
рая обусловливает эффект Магнуса.
Величина этой силы определяется
следующей формулой:
Р = -^-ndvuup/,
где d — диаметр цилиндра;
I — его длина;
v — скорость набегающего по-
тока;
Цц — окружная скорость враще-
ния цилиндра;
р — плотность среды.
Эта формула получена в предполо-
жении, что окружающая среда ли-
шена вязкости. Однако эксперимен-
тальные и теоретические результа-
ты оказываются близкими друг
к другу для значений скорости вра-
щения цилиндра, не превышающей
четырех скоростей набегающего по-
тока. В этом предельном случае
подъемная сила
Р w
Для воз;]ха у] а
меч следующий виз:
формула
при-
'"Т'3 ь ньильиал
длина в метрах
Интересно сравнить поды.-мн,ю
илу, создаваемую обычным кры
лом и вращающимся цилиндром
Подъемная сила крыла определяет
ся по фоомсле
формуле
где S площадь крыла; с —
экспериментальный коэффициент
Для наиболее совершенных крыльев
зтот коэффициент не превосходит
1,2. Для сравнения выберем ци-
линдр с той же площадью диамет-
рального сечения. Тогда отношение
т. е. оказывается, что вращающийся
цилиндр при равных условиях соз-
дает силу в 10 раз большую, чем
крыло.
ПАРУС ФЛЕТТНЕРА
Первая попытка использовать
такое преимущество ротора была
сделана Флеттнером, который пред-
ложил использовать вращающиеся
цилиндры вместо парусов. Для этой
цели он переоборудовал большой
парусный корабль водоизмещением
778 т. Вместо парусов были постав-
лены две роторные башни высотой
18,5 м и диаметром 2,8 м. Общая
площадь их диаметральных сечений
была в 10 раз меньше площади
снятых с корабля парусов. Как по-
казали ходовые испытания, роторы
Флечтнера по своим динамическим
качествам не уступали парусам.
В то же время по простоте обслу-
живания они значительно превос-
ходили последние. Измерения по-
казала, что на вращение роторов
расходовалось в S0 раз меньше
ST
м пО7учалось от ветра,
энергии, чем п0- - qT() несмотря
ЧеМ Жб0°,ьшие Достоинства, ко-
“7“ч„И««к Флеттнера не по-
ра6-1" 1 „ор распростраие-
лучили до сих и р н чт0 па-
нйя? Это °6?ясн"^ „ытеснен теп-
Р-'СНЫЙМ движение которого в мень-
;;"пени завис"1 61 капр'.зов
исти использования энер
для движения кораблей.
лесообразности
гни ветра
II при этом вновь вспоминают
удачных опытах Флеттнера.
ЛЕТАЮЩИЙ АВТОМОБИЛЬ
Укажем еще одно возможное
применение вращающегося цилинд-
ра. Расположенный горизонтально,
такой цилиндр во встречном потоке
воздуха будет создавать большую
подъемную силу.
Кто из нас не мечтал об авто-
мобиле, который мог бы поднимать-
ся в воздух? Такой автомобиль об-
ладал бы неоценимыми преимущест-
вами как перед обычными «земны-
ми» автомобилями, так и перед
современными самолетами. Стоял
бы такой автомобиль не на специ-
альном аэродроме, а во дворе дома,
в гараже. В любой момент вы мо-
жете сесть в него и влиться в улич-
ный поток машин. Но вот вы разго-
няетесь до скорости 60—70 км/ч и
отрываетесь от дороги. Теперь вам
не нужна дорога, вы можете свер-
нуть в поле, перелететь через реку,
снега и болота.
Произведем расчет роторного
крыла для такого автомобиля. Вес
автомобиля примем равным 16000 Н,
минимальная скорость v = 18 м/с,
диаметр ротора 2 м. Подставляя
эти данные в формулу для подъем-
ной силы, найдем длину крыла
« 2 м. Таким образом, размер ци-
линдра получается вполне приемле-
для конструирования автомо-
Мы намеренно выбрали иег
Шую скорость ДВИЖСЧ1ИЯ (18
что соответствует 65 км/ч. Так^^’
расходуемая мощность, щ.обх Как
мая для движения, пронорцИои?Ли-
на кубу скорости, то в отЛИЧи<1Ль-
быстро движущихся экраиол . 01
для нашего автомобиля не 110н °в>
бится большой мощности. КпД°
того, автомобиль не будет Ме
даться в специальном сред/*
создания тяги. ТВе
Конечно, такой автомобиль т
же, как и экранолет, можно приме*!
малой
водой,
«а тор-
нять только для полетов на
высоте над землей или
И так же, как у экранолета,
цах цилиндра должны быть шайбы
либо в виде тонких пластин, Ли0о
в виде поплавков.
Поскольку несущий цилиндр
имеет большие поперечные размеИ
ры, то его внутренность можно ис-
пользовать как фюзеляж для разме-
щения пассажиров, двигателя и ба-
гажа. В этом случае приводить во
вращение можно не сам ротор, а
цилиндрическую решетку, охваты-
вающую несущий цилиндр.
МЕТЕОРИТ СГОРАЕТ В ВОЗДУХЕ
Августовскими вечерами часто
можно видеть «падающие звезды».
На черном бархате неба, усеянном
алмазными блестками, вдруг по-
является ослепительная огненная
точка. Прочертив на небосводе ко-
роткую яркую полосу, она исчезает.
Теперь каждый школьник знает, что
это не звезды, а метеориты, кото-
рые на своем пути встречают атмос-
феру Земли.
Что же происходит, когда метео-
рит с большой скоростью входит в
плотные слои атмосферы? До сих
пор мы рассматривали течение не-
сжимаемой жидкости или такие
движения в воздухе, которые
не приводят к его сжатию. Чтобы
ответить на поставленный вопрос я
дать объяснение многим ДРУГЙ*
58
явлениям, нужно учесть г^й
воздуха сжиматься, которое- 7
, И. РИС, Cy,„C,;-,fc,:„„v ’
1>ас( мотрим течение '
t у^аютеиси т " " ?ха h
любое сечение
протекает .....
воздуха,
скорость
(рис. "
рости приводит к
ления и кипению
Воздуху такая опасность
......' за единицу времени
одно и то же количество
, то по мерс сужения трубы
воздуха увеличивается
34) В воде увеличение ско-
понижению дав-
холодной воды
..................... » не угро-
жает? До какой величины можно
увеличить скорость в сужающейся
трубе? Оказывается, только до ве-
личины, с которой распространяет-
ся звук в самом узком сечении тру-
бы. Никакое увеличение давления
не позволяет превзойти этот рубеж
Самое удивительное, что нарас-
тив трубу расширяющимся участ-
ком, можно без дополнительных
усилий получить сверхзвуковую
скорость газа. Такое устройство, по-
лученное шведским инженером Ла-
валем в результате теоретических
и экспериментальных исследований,
называется «соплом Лаваля».
Когда какое-либо тело движется
медленно, то воздух, как и вода
расступается перед ыим, пламо от и
бает тело и ia коомоя ыии*ется
сплошной потом А еслм тело дви
гается со сверхзвуковой смххюсгъю'
Тогда возмущения, вносимом телом
не успевают отойти от м»то м м/,х
в исковой части снимает > В это*
процессе важную роль «грает от и*,
шение скорости движ>»*<«о> , >
ти звука, которая при /,«-Ни
условиях равна 340 мс т
шение названо числом Маи ,с
имени немецкого исследоеат‘п$.
При сжатии воздух, -ак изь*гт-
но, нагревается Вычислена поив
зывают, что при движении тела сс
скоростью звука температура ь-м
духа повышается на 60е С Для со-
ветского сверхзвукового самолета
ТУ-144 нагрев воздуха достигает
400° С А в том случае, если ч»
Маха равно 10, нагрев доходит до
6000° С, т е до температуры, при
которой испаряются все известны*
в природе вещества
Эти цифры позволяют предста-
вить, что происходит, когда косми-
ческие тела и корабли входят в
плотные слои атмосферы Малк**
метеориты сгорают, не достигнув
поверхности земли Крупные — ра
59
плачиваются тем, что оставляют в
воздухе свою большую часть.
Как же спасти космический ко-
рабль от действия столь высокой
температуры? Напомним читателю,
что эта проблема являлась серьез-
ным препятствием на пути освоения
космоса. Все первые искусственные
спутники Земли существовали до
тех пор, пока они находились доста-
точно далеко от границы атмосфе-
ры. Как только они приближались
к Земле с намерением вернуться
туда, откуда они вышли, Земля при-
нимала их в свои настолько горячие
объятия, что они тут же сгорали,
послав свои последние радиосигна-
лы: «бип, бип, бип,...».
Вход в атмосферу стал возмо-
жен только после того, как были
созданы настолько мощные ракеты,
что они могли послать на круговую
орбиту спутник большого веса, ко-
торый имел на борту тормозные
двигатели и запас топлива к ним.
Кроме того, на корабле должна
быть сложная система ориентации
и система автоматического управле-
ния. По сигналу с Земли или по
команде космонавта корабль пово-
рачивается так, что сопла его тор-
мозных двигателей направляются в
сторону движения. После включе-
_я отделившаяся от него, все рав.
по подвергается аэродинамическому
магоеву До температур, превосходя-
тих температуры испарения всех
“звеегиых иа Земле веществ.
Чтобы попять, как же все-таки
гпхоаняется корабль в таких усло-
виях проделайте следующий опыт.
На слегка нагретый утюг капните
«одой Капля плотно ляжет на по-,
веохность утюга и через несколько
секунд испарится. Теперь нагрейте
УТЮГ до самой высокой температу-
ры намного превосходящей темпе-
ратуру кипения воды. Казалось бы,
что теперь капля испарится, едва
коснувшись утюга. На самом деле
она будет долго бегать по его по-
верхности.
Этот эффект объясняется тем,
что между горячей поверхностью
утюга и каплей воды появляется
слой пара, который и защищает
каплю от действия высокой темпе-
ратуры Такой же способ защиты
принят и для космических кораб-
лей Носовую часть корабля покры-
вают толстым слоем какого-либо
вещества с малым коэффициентом
теплопроводности, высокой темпе-
ратурой испарения и большой скры-
той энергией испарения. Применяе-
мые покрытия при высоких темпе-
ния эти двигатели начинают затор-
маживать корабль. Так как для
полной остановки корабля понадо-
билось бы столько же топлива,
сколько и для разгона, то торможе-
ние осуществляется только на неко-
торую величину. При этом корабль
сходит со своей околоземной орби-
ты и входит в атмосферу, имея уже
несколько меньшую скорость. Одна-
ко космический корабль или капсу-
ратурах переходят из твердого
состояния в газообразное, минуя
жидкую фазу. Такое испарение на-
зывается абляцией. Покрытие свои-
ми испарениями защищает корабль
от действия высокой температуры.
До тех пор, пока покрытие не испа-
рится полностью, температура ко-
рабля не может подняться выше
температуры абляции материала
покрытия.
ВЯЗКАЯ ЖИДКОСТЬ
вязк<х.ть
Строго ГоЬор* &,
жидкости И газы я»* ‘
ми, хотя до смх поГТГ’
молчанием этот факт
няется тем, что*, всГхп^4*0
Щих примерах роль в^"^’
невелика Однако в
Динамики есть процессы в
главную роль н^ет им1^Т’
О них то сейчас ы
vc"4ac и >9ихет
ГЛ вязкости нрс^е все
^обнаружить таким простым
«норы*
Внутрь вертикально расположен
ного цилиндра вложен другой Меж
ДУ ними имеется небольшой захл
Внутренний цилиндр подвешивает»
к горизонтальной нереклахиме *а
тонкой проволоке, а внешний аж-
линдр укрепляется с вошмкыо под-
шипников и имеет пркьэд ©т тягт.
тромотора В зазор между иклмедра-
ми нал вается какая-либо жидкость
Если внешний пилм>-лр привести вс
вращение с некото>ай оогтянмой
скоростью, то внутреш й кнлммд^-
будет увлекаться жидкостью в ту
63
сторону. Однако, удерживаемый
поворота закрученной проволо-
он остановится в некотором
же
от
кой.
положении.
Рассмотрим течение жидкости в
малом зазоре между цилиндрами.
Основной чертой вязкой жидкости
является ее способность прилипать
к стенке даже в том случае, если
цилиндр изготовлен из водооттал-
кивающего материала. Прилипшие
слои, с одной стороны, увлекаются
движущимся цилиндром, а с дру-
гой,-— тормозятся неподвижным ци-
линдром. В результате устанавли-
вается линейное распределение ско-
ного трения определяется цо
дующей формуле: СЛе‘
г pu„/h,
и — константа, не зависящая
ни от скорости, ни от величины за-
зора Она характеризует физические
свойства жидкости и называется
динамической вязкостью.
Гипотеза Ньютона оказалась
справедлив™ почти дли всех
жидкостей. Описанным прибором,
который называется вискозиметром
Куэтта, можно определять вязкость
различных жидкостей.
(«)
ростей.
По углу закручивания внутрен-
него цилиндра можно определить
действующий на него момент. Если
этот момент разделить на радиус
цилиндра и на его площадь, то мы
получим величину силы касатель-
ного трения, которую обозначим
буквой т. Кроме того, введем обо-
значение h для зазора между ци-
линдрами и он для окружной ско-
рости вращения наружного ци-
линдра.
Ньютон сформулировал гипоте-
зу, согласно которой сила касатель-
подшипник
Весьма похожее течение возни-
кает в зазоре между шипом и под-
шипником. Однако радиальное уси-
лие на шип приводит к нарушению
симметрии течения.
Шип смещается вниз и начинает
катиться по изогнутой поверхности
подшипника, стараясь подняться
вверх. Но нагрузка опускает его все
время вниз. При этом допустимая
нагрузка оказывается пропорцио-
нальной вязкости жидкости в зазоре
и обратно пропорциональной квад-
рату ширины зазора. Именно по-
этому подшипники делают с малым
зазором и смазывают сильновязкой
жидкостью. Попытка уменьшить мо-
мент трения путем перехода к ма-
ловязкой жидкости приводит к
уменьшению допустимой нагрузки.
Однако и здесь использованы
еще не все возможности. Рассмот-
рим течение между двумя цилинд-
рами, радиусы которых сильно отли-
чаются друг от друга, а оси враще-
ния смещены на большую величину.
Расчеты показывают, что в этом
случае для маловязкой жидкости
в зазоре возникает вторичное тече-
ние (рис. 36). Такое течение харак-
теризуется тем, что поддерживаю-
щая сила подшипника не зависит
от вязкости, так как она имеет инер-
ционное происхождение, в то врем
64
моМ<"1 остается иропорпио
К‘‘ „1.мм вячк.и ...
В |,||||( ЯННОМ ПОДШИПНИК. МО/К
iic.io.ib шва 1 ь жидкость малой
"я .кос. I. В сочетании Г большим
1,-1Я>Р°м э,° обеспечивает малый
мсш .рения подшипника. ()<()
бгнносты(> подшипника является н<;
)бхо.1||МОСТЬ ира1Цения (*!о корпуса
в противоположную по отношению
к шипу сторону. Только такое сов-
местное вращение обеспечивает
устойчивость вторичного течения.
Поэтому такой подшипник не может
найти применения в транспорте или
машиностроении. Но в приборо-
строении, например при создании
гироскопических систем навигации,
когда нужно уменьшить момент тре-
ния любой ценой, такой подшипник
может оказаться полезным.
ТЕЧЕНИЕ ТЕЙЛОРА
Английский исследователь Тей-
лор изучал течение между соосны-
ми цилиндрами при различных ско-
ростях вращения цилиндров. Рас-
смотрим и мы такое течение, усло-
вившись, что вращается только
внутренний цилиндр и что зазор
между цилиндрами велик.
В этом случае, в отличие от те-
чения в приборе Куэтта, в котором
вращается внешний цилиндр, внут-
ренние точки жидкости будут вра-
щаться быстро, а внешние — с
меньшей скоростью. Следователь-
но, внутренние точки будут подвер-
жены действию большей центробеж-
ной силы инерции, чем внешние.
Это приведет к взаимному обмену
местами внутренних и внешних
частиц жидкости и к появлению
конвективного течения (рис. 37).
Исследования Тейлора интерес-
ны тем, что они позволяют теорети-
чески обнаружить явление неустой-
нвости и неединственности реше-
ия уравнений движения вязкой
идкости, и проверить этот факт
Кспериментально. Кстати, именно
вторичными течениями Тей юра
объясняется тот факт, что при по-
мешивании чаинки в стакане соби-
раются в центре.
ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ
СОПРОТИВЛЕНИЕ
Одной из наименее решенных за-
дач является задача гидродинами-
ческого сопротивления. Говоря о со-
противлении, необходимо ввести хо-
тя бы простейшую классификацию.
Когда водоизмещаюшее тело
двигается по поверхности воды, то
от его корпуса расходятся две вол-
ны — носовая и кормовая Они
создают сопротивление, называемое
волновым. На образование этих
волн расходуется мощность двига-
телей. По мере увеличения скорос-
тей плавания энергия этих волн, и
следовательно, потребляемая мощ-
ность быстро растут. Именно по-
этому судостроители стремятся выр-
вать корабль из объятий воды либо
С помощью воздушной подушки,
либо с помощью подводных
крыльев.
Помимо волнового сопротивле-
ния, смоченная поверхность судна
65
испытывает сопротивление, обуслов-
ленное вязкостью воды. В чистом
виде это сопротивление проявляет-
ся для подводной лодки, когда она
плывет на значительной глубине.
Каждая точка поверхности дви-
жущегося под водой тела испыты-
вает действие силы, которая имеет
две компоненты — нормальную и
касательную к поверхности тела.
Касательная компонента возникает
благодаря относительному сколь-
жению частиц жидкости. Нормаль-
ная компонента равна силе давле-
ния. Равнодействующая этих сил
называется сопротивлением трения,
и она пропорциональна площади
смоченной поверхности.
В неподвижном состоянии рав-
нодействующая сил давления не
имеет горизонтальной компоненты.
Если бы жидкость была лишена
вязкости, то такое положение
сохранилось бы и при движении.
Однако тормозящее действие каса-
тельных сил трения приводит к по-
нижению давления в кормовой час-
тя судна ио сравнению с давлением
в носовой части. Это обстоятель-
ство приводит к появлению сопро-
^Т,я<_давл,ен|,я’ «оторве иногда
^яжвают профильным.
КАК ОСТАНОВИТЬ КАЧАНИЕ
ОСТАНКИНСКОЙ БАШНИ
В тех случаях, когда тело, поме-
щенное в поток, имеет плохо обте-
каемую форму, сопротивление но-
сит нестационарный характер. Те-
леграфные провода гудят на ветру,
деревья качаются. Нестационар-
ность обтекания обусловливается
несколькими причинами.
При небольшой скорости попе-
речного обтекания цилиндра спра-
ва и слева от него попеременно
отрываются вихри (рис. 38). При
этом возникает периодическая по-
перечная сила, способная раска-
чать цилиндр, если он закреплен не
жестко. В свою очередь, поперечное
колебание цилиндра вызывает пе-
риодическое изменение потока. Та-
кое взаимодействие тела и жидкос-
ти особенно усиливается с ростом
скорости, когда даже малая несим-
метричность течения вызывает силь-
ное боковое давление. При этом
колебания будут совершаться с час-
тотой свободных колебаний ш*линд*
ра, которая зависит от жесткости
крепления н массы цилиндра^
Еще одной причиной колив^*”^
плохо обтекаемых тел »
66
являскя неравномерноеi ь потока.
Продольные и поперечные пульса
ним скорости вызывают такие же
пчльсаиии силы давлении. Вообще-
то говоря, такие пульсации состав
ляют малую величину. Но все дело
в том. что раскачка упруго закреп-
ленного тела носит резонансный
характер. Длительное действие воз
метений вызывает большой рост
амплитуды колебаний, которая мо-
жет быть в 50 — 100 раз больше, чем
при одиночном возмущении.
Именно так объясняется и ко-
лебание башни Останкинского теле-
визионного центра. Строители в
своих расчетах учитывали такую
возможность, и посетители рестора-
на «Седьмое небо» могут спокойно
обозревать панораму Москвы, если
только они не подвержены морской
болезни. Однако для более высоких
сооружений динамические ветровые
нагрузки могут стать серьезным
препятствием. Зная природу и меха-
низм ветровых нагрузок, можно ре-
шить и эту проблему. Для этой
цели нужно прибегнуть к сред-
ствам автоматического управления.
В качестве исполнительных орга-
нов можно использовать пово-
рачивающиеся металлические ребра
(рис. 39).
В качестве измерительного орга-
на можно использовать стеклянным
сосуд с выпуклым дном, в котором
находится капля ртути. По окруж-
ности сосуда впаяны оголенные
электроды по числу ребер. В зави-
симости от плоскости и фазы коле-
бания башни ртуть займет опре-
деленное положение в сосуде, за-
мыкая определенную электрическую
цепь. Такая система управления
будет поворачивать в нужный мо-
мент нужное ребро так, чтобы обес-
печить симметричность ветровой на-
грузки. Другая, аналогичная систе-
ма, с помощью тех же ребер может
ослаблять колебания в той же
плоскости, в какой дует ветер. Для
этого она должна поворачивать
ребра поперек потока, когда башня
наклоняется навстречу ветру, и
прижимать их, когда башня накло-
няется по ветру.
Поскольку колебания имеют ре-
зонансный характер, то для их
ослабления не понадобится боль-
ших усилий, следовательно, пло-
щадь ребер может быть выбрана
малой.
ПАРАДОКС ДАЛАМБЕРА — СТОКСА
В том гипотетическом случае,
когда жидкость лишена вязкости, и
следовательно, свободно проскаль-
зывает вдоль стенок обтекаемого
тела, исчезает как сопротивле-
ние трения, так и сопротивление
давления. Сопротивление невязкой
жидкости равно нулю. Размышляя
здраво, следовало бы ожидать, что
сопротивление маловязкой жидкос-
ти будет столь же мало, как сама
вязкость.
К сожалению, в этом случае
здравый смысл нас подводит. Такие
распространенные среды, как вода
и воздух, обладают весьма малой
вязкостью. С ростом скорости в
размеров движущихся тел влкякне
вязкости становится еще меньше.
«7
Тем не менее, сопротивление оказы-
вается очень большим. Это явление
называют парадоксом Дала.мбера—
Стокса.
Подчеркивая, что из всех проб-
лем гидродинамики проблема со-
противления изучена в наименьшей
степени, мы имели в виду отсут-
ствие полного объяснения парадок-
са Даламбера—Стокса. Почему
важно иметь такое объяснение?
Представьте себе, что объединенны-
ми усилиями теоретиков и экспери-
ментаторов будет доказана ограни-
ченность парадокса и будут указа-
ны условия, когда парадокс Далам-
бера—Стокса не имеет места. Это
значит, что инженеры-судостроите-
ли получат в руки способ сильного
уменьшения гидродинамического со-
противления.
Как известно, вязкая жидкость
прилипает к неподвижным стенкам
обтекаемого тела, это приводит
к торможению движущейся жидкос-
ти, к отрыву потока в кормовой
части тела и, как следствие, к уве-
личеяию сопротивления трения и
давления. А что если сконструиро-
вать тело, каждая точка поверх-
ности которого может перемещаться
он» во потоку в касательной плос-
и достаточной
мы не I олько
Kin па
но можем
ТОЛЬКО кинет рук.
довольно сложной. Легче
ть. в которой движется
ТОЛЬКО
и Ч^ним
ЧШНищ.
по
- с
моделью показали следую-
Пока цилиндры были не-
кости? и
движения
торможение жпдк
обтекаемою тела,
создать тягу Вот
ция будет
создать модель.
с постоянной скоростью
часть граничных точек.
На рис. 40 показана такая мо-
дель. которая состоит из пластин-
ки. расположенной перпендикуляр,
но потоку. и ДВУХ цилиндров -
краям пластинки. Эксперименты
такой
шее.
подвижны, ИХ присутствие не влия-
ло на течение и на силу сопротив-
ления. Когда цилиндры привели во
врашение. сопротивление уменьши-
лось в пять раз. С ростом размеров
"цилиндров и скорости потока сопро-
тивление уменьшалось обратно про-
порционально корню квадратному
из этих величин.
Естественно задать вопрос, ка-
кой энергетической иеной было
достигнуто такое уменьшение сопро-
тивления. Ведь на вращение цилинд-
ров расходовалась какая-то мощ-
ность Ответ на этот вопрос опре-
деляется двумя обстоятельствами.
68
ские машины» б. дет раа
как раиионалм*выбранная
новка корпуса и лви*
обеспечивает уыеньо>мме <а
ей ия
И к ИЬНГТОНОВСКИк. ЖИДКОСТИ
В св«зи с бурным рс *. • * • >
иии полимеров инженера* в
приходится сталкиваться с рагтво
рами, свийст ва которых сильно с/тля-
чаются от привычных нам жидкое
тей Такие - едкости пргнят< нам
вать неньютоновскими, та»
них несправедлив закон Ньютона,
связывающий скорость сдвига вяз
кость и »:acaTej ьние трение С одним
примером такой жидкости мы но
каком ил ись в главе ^Гидростате
ка», когда говорили о тиксотропных
глинистых растворах. Вязкость та
ких растворов не является потто
ян ной величиной, а зависит от ха-
рактера движения Там же был при
веден пример. кг» можно нспользо
вать специфическое свойство этих
растворов
В типографском деле дали, вс
пользуется тиксотропное свойстве
Во-первых, для вращения гладких
цилиндров в воде требуется мощ-
ность, пропорциональная вязкости.
А так как вязкость воды мала, то
мала и потребляемая мощность.
Во-вторых, цилиндры вращались по
потоку. Их окружная скорость в
точности равнялась средней ско-
рости движения жидкости вблизи
цилиндров, т. е. цилиндры не под-
гоняли и не тормозили жидкость.
В силу этих двух причин мощность,
расходуемая на вращение цилинд-
ров, была много меньше выигрыша
по сопротивлению.
Этот опыт позволяет частично
сузить область, где справедлив па
радокс Даламбера—Стокса, и в
то же время подводит эксперимен
тальную базу под проект летающего
автомобиля, который был рассмот
рен раньше.
Уменьшения гидродинамического
сопротивления можно добиться так
же с помощью упругого покрытия,
на котором должна генерироваться
бегущая волна. Но поскольку про
тотип такого механизма уменьше-
ния сопротивления имеется у вод
ных животных, то об этом речь
пойдет в главе «Гидродинамика жи-
вотных». В главе «Гидродинамиче
В процессе 1ви
’ ЖЛС1Л краем наносится на
«• амаииаггся через тон
ма.-гг -г*”*-»* СИТ0- ОИа ВеЛе1
2 ок «шихгть с умер иной
шмоггъо В тот момент, когда
деи нетленная на бумагу. пе
р^т.п зьигаться. она превращается
• rwpjc* тело Обычная жидкость
• ИМ и-лоамх Продолжала бы
метаться, фильтроваться При
. Сражение соседних точек
сливалось бы Качество печати во
мвогвм обусловлено тиксотропным
своВгпюи краски
Особенности поведения вязко
упругих жидкостей можно проде
•«стр«роаатъ на опыте с рези но
вым клеем (рис 41) Пер€Ле.
«^•сй в сосуд С широким гопл е
ком. например, в стакан Накло^*
стакан и начните переливать » е
в другую посуду После того
клей достигнет нижнего сосуда п *
иимите край стакана Течение
ной жидкости при этом прекоат?
лось бы Не так ведет себя уПрчг?а
жидкость Она будет вытекать
стакана через край, который раепп
ложен выше уровня клея в нем тХ
верь налейте на дно стакана немно-
го клея Опустите туда Кара
даш и начните его вращать Клн
будет наматываться на карандаш и
подниматься вверх Необычное по
ведение вязко-упру гих жидкостей
известно как эффект Вейссенберга,
по имени исследователя, который
обнаружил и изучил это явление
На рис 42—44 покиданы схе
мы его экспериментов Рядом для
сравнения дается картин, пс • дения
обычной жидкости в таком же при
боре Рис 42 иаобрмжиет опыт, по
добный проведенному нами с карай
дашом Однако в атом случае цент
ральный стержень »акргпл<н непо
двнжно. а сосуд с жидкостью
вращается На рис 43 показано по
ведение жидкости, когда в нес опу
щена трубка, открытая сверху На
рис 44 — такой же опыт, но трубка
сверху закрыта
Описанные свойства растворов
полимеров очень важно знать и
уметь использовать при разработке
технологических процессов
воздушный винт
Рассматривая различные транс
портные средства, мы останавли
вали свое внимание только на пр ин
ципе действия утих аппаратов Но
ведь в каждом из них исл.льз ется
либо воздушный (или гребной)
винт для создания тяги л *6-. ком
прессор для создания воздушно*
подушки или смазки Машин. со-
вершающие работу над жидкость*,
или газом,— это специальная «6
ласть гидродинамики
Как создается подъемная с.-.ла
крыла самолета, читатель, конечн..
знает и потому ему легко предста-
вить работу воздушного винта
Остановимся на анализе эффектив-
ности винта, на величине его тяги,
на той мощности, которой эта тяга
создается.
В отличие от крыла воздушный
винт совершает работу и сам
потребляет некоторую мощность
(рис. 45). Полезную мощность вин
та можно определить как произве-
дение
А = Pv,
где Р — сила тяги винта:
v — скорость перемещения аппа-
рата.
А какую мощность нужно израс-
ходовать, чтобы обеспечить работу
винта? Если винт отбрасывает в се-
кунду массу воздуха М со ско-
ростью и.1, то сила его тяги по за-
кону импульса будет равна произ-
ведению
Р = Mw.
Кинетическая энергия отброшен-
ной струм воздуха будет равна
Mw’ =
Таким образом, сумма A'i 4- А
будет представлять полную мощ-
ность, потребляемую винтом.
Отношение
К________i
Ч~ » + *, 1+±i
2 о
73
определяет коэффициент полезного
действия винта
Полеченная формула является
коэффициентом полезного действия
идеального движителя, то есть тако-
го движителя, у которого нет потерь
на закрутку потока и на
трение. КПД винта тем ближе
к единице, чем меньше скорость
отброшенной струи w. При умень-
шении скорости w можно сохра-
нить тягу Р только путем увеличе-
ния массы М.
Массу, отбрасываемую винтом,
можно увеличить различными спо-
собами. Так, для судов на воздуш-
ной подушке можно воспользовать-
ся гребным винтом вместо воздуш-
ного. Можно увеличить площадь
лопастей, но это приведет к росту
вязких потерь, поэтому обычно уве-
личивают количество винтов. Этим
объсняется тенденция к созданию
многомоторных самолетов.
КПД движителя увеличивается
1170111 елрие, если возрастает ско-
рость в самого аппарата. Именно
«этому реактивные двигатели, у
«торых струя газа выходит с боль-
скоростью, оказались эконо-
*ИЯИИ|И1И1 только ва скорости ых са-
'йиимяжж.
гребной винт
Между воздушным винтом и
гребным, являющимся движителем
кораблей, нет принципиальной раз-
ницы. и имеющееся конструктивное
различие вызывается тем. что вида
в 800 раз плотнее воздуха А так
как динамические силы пропорцио-
нальны плотности, то сила тяги и
потребляемая мощность при прочих
равных условиях у гребного винта
в 800 раз больше, чем у пропелле-
ра. Именно этим объясняются
сравнительно малые размеры греб-
ных винтов
В популярной литературе время
от времени появляются предложе-
ния нспользовать винт Архимеда
(рис. 46) в качестве гребного,
так как, по предположению авто-
ров, он должен обладать большой
эффективностью, т. е. большой
удельной тягой и высоким КПД.
Мы с вами уже знаем, что тяга
создается благодаря разности ско-
ростей потока до винта и после
него. В идеальном винте Архимед»
жидкость перемещается между вит-
ками винта с постоянной скоростью
Таким образом, все витки, кроме
первого и последнего, нечего не Я*"
74
няни в потоке и не создают тяги
А так как они все-таки вызывают
перемешивание жидкости, то на их
вращение расходуется значительная
мощность Поэтому винт Архимеда
не применяют в судостроении.
Несмотря на совершенство су-
ществующих гребных винтов, нельзя
считать, что здесь все проблемы ре-
шены и ничего нового придумать
нельзя. Рассмотрим, например, воп-
рос взаимодействия винта и корпу-
са судна. При обычной компоновке
гребной винт находится в корме ко-
рабля. Работающий винт понижает
давление в кормовой части корабля
и тем самым не только создает
силу тяги, но и увеличивает гидро-
динамическое сопротивление.
Возникает естественный вопрос,
куда нужно переставить винт и как
его спроектировать, чтобы этого
отрицательного явления не было.
Применительно к надводным кораб-
лям можно предложить следующую
компоновку. На специальных пило-
нах винты размещают с двух сто-
рон от корабля в его самом широ-
ком месте. Возникающее при этом
разрежение перед винтами и повы-
шенное давление за ними не только
не увеличат сопротивления, но и бу-
д\т создавать дополнителен\к
тяги Можно ожидать, чтс се.
нгрыш при этом будет достаток;
велик, чтобы оправдать усложнена
конструкции и условий эксплуа-
тации.
На подводных судах кр\глогс
поперечного сечения испытывала сс
следующая компоновка корпуса и
движителя. В месте самого боль-
шого поперечного сечения модели
устанавливался ротор движителя
(рис. 47). По периметру корпуса в
этом же месте были размещены не-
подвижные лопатки направляющего
аппарата, которые раскручивали
поток, образованный ротором. Все
лопатки для устранения концевых
эффектов были заключены в коль-
цевой профилированный насадок
Работающий движитель, как ему
н положено, испытывал реакцию
со стороны воды и передавал
ее модели в качестве силы тяги
Одновременно с этим он понижал
давление в носовой части модели и
повышал — в кормовой, что привело
к появлению дополнительной омы
тяги. Причем оказалось, что для
тела малого удлинения эта допол-
нительная сила, создайте которой
не требовало расхода мощности.
И
что ОН не будет рассекать корпуса
судна. Водяная смазка обеспечит
малое трение, а многополюсный
электродвигатель решит проблему
подвода мощности без нарушения
герметичности корабля.
Другие перспективы в создании
движителей открывает машущее
крыло. Но так как прототипом
такого движителя является хвосто-
вой плавник дельфина, то мы о нем
расскажем в главе «Гидродинамика
животных». В главе «Магнитная
гидродинамика» будет описан спо-
соб создания тяги в морской воде
с помощью скрещенных магнитных
и электрических полей.
ГИДРОТУРБИНА
была в четыре раза больше, чем
сила тяги самого движителя.
Искушенный читатель в этом
месте обязательно задастся вопро-
сом, а не противоречат ли эти ре-
зультаты закону сохранения энер-
гии. Попробуем разобраться в этом
вопросе. Прежде всего нужно про-
анализировать распределение дав-
ления около модели при буксиров-
ке без движителя. Известно, что
вязкая жидкость обтекает тело не-
симметрично. Из-за этого в жидкос-
ти создается разрежение, которое
и увеличивает сопротивление.
Исследованный нами движитель
служил не столько средством созда-
ния тяги, сколько средством предот-
вращения отрыва потока в корме,
И эксперименты показали высокую
его эффективность. Чтобы не всту-
пить в противоречие с законом
сохранения энергии, полученные ре-
зультаты следует толковать сле-
дующим образом: роторный движи-
тель обеспечивал тягу комплексу
из корпуса и движителя, который
обладал гидродинамическим сопро-
тивлением в четыре раза меньше,
чем один корпус при буксировке.
Конструктивно роторный дви-
Жнтель может быть изготовлен так,
В механике известен так назы-
ваемый принцип обратимости дви-
жения, согласно которому при об-
ратном приложении сил будет осу-
ществляться обратное движение.
Таким образом, пропеллер можно
обратить в ветряк, а гребной
винт—в гидротурбину. На рис. 48
показано колесо пропеллерной тур-
бины. Ее отличие от гребного винта
определятся условиями работы.
Гребной винт изменяет осевую ско-
рость набегающего на него потока.
Турбина работает в туннеле, и рас-
ход воды до и после нее не меняет-
ся. Следовательно, не меняется и
осевая скорость потока. Какую же
энергию отнимает турбина у воды?
Вода, перед тем как поступить
на рабочее колесо турбины, закру-
чивается. Этому способствует и под-
водящий канал, выполненный в
виде спирали (улитки), и лопатки
направляющего аппарата, располо-
женные по спирали. Потенциальная
энергия, которой обладает вода,
расположенная выше турбины, пре-
вращается в кинетическую энергию
вращения и энергию давления. Эту
энергию и отнимает турбина. После
турбины вода вытекает без всякой
вращения и с меньшим давлением.
76
и,,.бы вытекающая вода обладала
меньшей энергией, участок трубы
м -rvnfiwHbi. который называют
всасывающей Грубой делают рас-
ширяющимся (рис. 49). Благодаря
увеличению площади сечения умень-
шается скорость, уменьшается и
кинетическая энергия воды, вышед-
ей из турбины. Может возник-
нуть вопрос: как вода, миновавшая
бобину, отдает ей свою энергию?
Для объяснения обратимся к урав-
нению Бернулли. Рассмотрим две
точки- сразу после турбины, где
скорость будет равна о,, а давле-
ние pi, и точку на выходе из вса-
сывающей трубы, где скорость и
давление будут равны и2 и р2.
Согласно уравнению Бернулли,
12 12.
-g-fip + Pi — 4" Р2>
откуда
Pt =-g-p^2 4- р2--2"Р^1-
Скорость на выходе мала и ею
можно пренебречь. Давление р2
равно атмосферному. Значит, дав-
ление pi после турбины будет ниже
атмосферного. Этим объясняется
название всасывающей трубы.
Понижение давления после тур-
бины эквивалентно увеличению на
такую же величину давления свер-
ху. Таким образом, независимо от
того, на каком уровне стоит турби-
на, она перерабатывает всю потен-
циальную энергию воды, определяе-
мую разностью уровней воды до
плотины и после нее. Современные
турбины имеют КПД, равный
95—96%, т. е. превращают в элек-
троэнергию 95—96% всей энергии,
запасенной водой.
Тем не менее встречаются еще
«проекты», обещающие увеличить
кпд в два-три раза. Один из них
состоит в том, что вода должна
свободно падать до нижнего уровня
и здесь, достигнув максимальной
скорости, обрушиваться на турбину.
Можно было бы много говорить
о ложности этого проекта Однако
достаточно сказать, что в соответ-
ствии с законом сохранения энергии
КПД любой установки не может
быть больше '100%, и ни с каком
трехкратном его увеличении не
может быть и речи.
Тем не менее, энергию падаю-
щей струи можно использовать
Раньше это делали с помощью во-
дяных колес. Но у них был низкий
КПД. Сейчас энергию струи высо-
кого напора используют с помощью
ковшовой турбины, внешний вид ко-
торой показан на рис. 50. Струя
воды, поступающая из сопла, с боль-
шой скоростью ударяется в ковши
рабочего колеса, которые похожи
на сложенные вместе ладони рек
КПД турбины трудно довести
до 60%. Однако, когда напор воды
превосходит 100 м (например, в гор-
ных реках), применить турбину
другого типа невозможно. При на-
поре меньше 40 м обычно приме-
няют пропеллерные турбины с по-
воротными лопастями. При напорах
воды от 40 до 100 м применяют,
так называемые, радиально-осевые
турбины (рис. 51). Такая турбина.
как и пропеллерная, ставится после
направляющего аппарата, который
предварительно закручивает воду
Закрученная вода входит в турбину
сначала в радиальном направле-
нии, а затем поворачивает и выхо-
дит из турбины в осевом направле-
нии Отсюда и происходит ее на
звание
Такого типа турбины стоят на са
мой крупной в мире Красноярской
ГЭС Один агрегат этой станции
обладает мощностью 500 тыс кВт
Для сравнения напомним, что все
агрегаты Днепрогэса обладают мощ-
ностью 600 тыс кВт
ГИДРОТРАНСФОРМАТОР
Чтобы закончить рассказ о гид
родинамических машинах, опишем
еще одно интересное устройство —
гидротрансформатор
Рассказывают, что первые образ
цы автомобилей, созданные в на
чале этою века, moi ли передви-
гаться лишь по горизонтальным
участкам хорошей дороги. Попадая
в песок, грязь или на крутой склон,
эти автомобили останавливались.
Как же так, две лошади могут ка-
тить экипаж не только по ровной
дороге, но и втащить его на гору,
а мощный стальной мотор этого
сделать не может! Дело в том, что
на трудных участках дороги лошади
уменьшают скорость движения и в
несколько раз увеличивают тяговые
усилия. В механической конструк-
ции такого же эффекта можно
достичь с помощью редуктора, ко-
торый связывает быстро вращаю-
щийся вал с медленно вращающим-
ся. При этом момент на втором
валу будет, естественно, больше.
Набор таких редукторов с различ-
ными передаточными числами обра-
зует коробку передач, которая и
позволяет автомобилю выиграть со-
ревнование с конным экипажем.
Те, кто управлял автомобилем»
знают, сколько хлопот связано C
реключением одной пары шестеро
78
иа другую- Для одною пере-ключе
ния требуется отсоединить мотор от
коробки передач; выжав муфту
сцепления, вывести шестерни ре
дуктора из сцепления; отпустить
муфту сцепления, чтобы синхрони-
зировать вращение шестерен короб-
ки передач; вновь выжать сцепле-
ние; ввести в зацепление соответст-
вующую пару шестерен, и только
затем отпустить муфту сцепления.
Водителю городского транспор-
та приходится проделывать такие
операции сотни раз в течение одно-
го часа. Эти движения отвлекают
внимание шофера, приводят к силь-
ному утомлению. Вот почему кон-
структоры работают над созданием
нового способа преобразования мо-
ментов вращения, лишенного недо
статков механической коробки пере-
дач. Эту проблему помогает решить
гидротрансформатор, который пред-
ставляет собой сочетание гидротур-
бины и гидронасоса, объединенных
в одном корпусе, и предназначен
Для передачи вращения с одного
вала на другой, соосный с ним,
с одновременным преобразованием
моментов и числа оборотов.
На рис. 52 показан разрез гидро-
трансформатора. Вал насоса / при-
водится во вращение дню ателсм
Насосное колесо 4. которое связан.,
с помощью кожуха 2 с валом 1.
заставляет вращаться заполняющею
насос жидкость. Центробежная си
ла вызывает перетекание масла от
центра к стенкам, как показано на
рисунке стрелками Благодаря та
кому течению масло попадает в по-
лость турбинного колеса 3 Ударяя
по его лопаткам, жидкость застав
ляет вращаться и турбинное колесо,
и связанный с ним турбинный вал 6
Заторможенная турбиной жидкость
вытесняется к центру колеса и по
падает на реактивное колесо 5. ко
торое напоминает собой колесо
турбины, но отличается от него тем.
что оно в обычном режиме жестко
связано с неподвижным картером
Так как турбинное и насосное
колеса в общем случае вращаются
с разными скоростями, то жидкость
в них будет вращаться с различной
скоростью. Реактивное колесо с его
лопатками является направляющим
аппаратом и обеспечивает согласо-
вание окружной скорости жидкости,
поступающей с турбинного на на-
сосное колесо. При этом оно испы-
тывает реактивную силу, откуда н
происходит его название.
Передача энергии от насосного
колеса к турбинному осуществляет-
ся в различных условиях по-разно-
му. Если колеса автомобиля, а сле-
довательно, и вал турбинного коле-
са крутятся медленно, то жидкость
в турбинном колесе почти пол-
ностью теряет свою скорость враще-
ния. Это вызывает большое усилие
на турбинном колесе и на веду-
щих колесах автомобиля. Такой ре-
жим характерен моменту трогания
с места, преодолению крутых подъе-
мов и т. д. На ровных участках
дороги и после разгона турбинное
колесо вращается быстрее, и сле-
довательно, испытывает меньшую
реакцию от перетекающей через
него жидкости. Этой реакции как
раз хватает для преодоления умень-
шившихся усилий на колесах авто-
мобиля.
Таким образом, гидротрансфор-
матор служит автоматическим ре-
дуктором, который меняет переда-
точное число между двигателем
и колесами так, чтобы, с одной сто-
роны, двигатель работал в опти-
мальном режиме, а с другой сторо-
ны, усилия на колесах были доста-
точны для преодоления переменного
сопротивления. И все это без вся-
кого участия водителя. Кроме того,
гидротрансформатор обеспечивает и
некоторые дополнительные преиму-
щества. В автомобильной трансмис-
сии исчезают ударные нагрузки, ха-
рактерные для механической короб-
ки передач. Это обстоятельство в
полтора-два раза увеличивает срок
службы двигателей, карданных ва-
лов, редукторов, ведущих мостов и
полуосей.
Однако гидротрансформатор, кро-
ме преимуществ, обладает и опре-
деленными недостатками. Это, преж-
де всего, его большие размеры,
особенно если учесть всю систему
охлаждения и перекачки масла,
обязательную для гидротрансфор-
матора. Кроме того, применение
гидротрансформатора приводит к
большим потерям мощности, чем
использование механической короб-
ки передач. Тем не менее, в некото-
рых случаях, например для город-
ских автобусов, преимущества, со-
здаваемые гидротрансформаторами,
намного превосходят их недостатки.
В настоящее время на улицах на-
ших городов все чаще можно ви-
деть автобусы, которые не имеют
коробки передач, а снабжены гидро-
трансформаторами.
80
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УДАР
задавались ли вы вопросом,
все водопроводные- краны
такую конструкцию, что их
быстро закрыть? Особенно
и3 больших трубопроводах,
пожарные, приходится
очень долго. Не лучше ли
так, как в самоваре? Чет-
оборота — и сквозное отвер-
хорошо притертой бронзовой
, совмещено с трубопроводом,
и кран за-
в гидрав-
лочему
и меня
нельзя
краны
например,
крутить
сделать
верть
стие в
пробке _
Еше четверть оборота —
крыт (рис. 53).
Оказывается, все дело
лическом ударе.
Представьте себе, что
му-либо промышленному
воду диаметром 0,1 м
L = 1000 м течет вода со скоростью
и = ю м/с. И в конце водопровода
стоит кран, который можно закрыть
в течение одной секунды. Подсчи-
таем количество движения, которым
обладает текущая по трубе
по како-
водопро-
и длиной
вода:
К = Mv = wzLpv,
где пГ2__ площадь сечения
провода, равная в нашем .
0 0078 м2. Объем воды в водопро-
воде будет равняться 7,8 м . Ее
масса М « 8000 кг. Тогда коли-
чество движения
К = 80 000 кг • м/с.
Если считать, что стальные
стенки водопровода не могут рас-
тягиваться, а вода не может сжи-
маться, то, закрыв кран за 1 с, мы
вызовем внезапную остановку всей
массы движущейся воды, что при-
ведет к удару силой 80 тыс. Н. Ко-
нечно, при таком давлении и сталь
будет податлива, и вода слегка
сожмется. Это обстоятельство не-
много растянет процесс остановки
воды, и следовательно, уменьшит
максимальную силу. Но даже если
сила уменьшится в два-три раза,
все равно беды не избежать. Раз-
рыв трубопровода из-за гидравли-
ческого удара был частой причиной
водо-
случае
_.за на одной
роэлектростан
агрегат такой
расска зывалк
..1 ривод
Правда, он не очень длинный, зато
аварий в системе водоснабжения
ех пор, пока не перешли к веити
лям и кранам, исключающим воз
можность быстрой остановки вод»,
в трубопроводе
Действие гидравлическою да
ра можно проиллюстрировать исто-
рией, которая произошла на с.-.н'л
из днепровских ги
иий. Как устроен
станции, мы уже
В агрегате имеется трубопровод
Пг.ййч* зато
в поперечном сечении достигает не-
скольких метров, да и скорость всдь=
немалая. Лопатки направляющего
аппарата, которые служат для за-
кручивания потока, одновременно
позволяют регулировать расход во-
ды вплоть до его полного прекра-
щения. Необходимость в такой ре-
гулировке связана с тем, что е те-
чение суток несколько раз меняется
количество потребляемой электро-
энергии. Погрузился город в ночной
сон, все лампочки выключены, оста-
новились трамваи, троллейбусы,— и
сразу уменьшилось количество по-
требляемой энергии. Если не умень-
шить расход воды, то турбина
начнет кружиться все быстрее и
в!
быстрее Это недопустимо по ^вух<
причинам. Во-первых, генератор,
связанный с турбиной, будет выра-
батывать ток частотой не 51 и. 2
больше, а во-вторых. турбина и ге-
нератор могут не выдержать возни
кающих центробежных сил.
В тот день, о котором идет
речь, какой-то завод, потреблявший
большое количество электроэнергии,
отключился от сети. Генераторы и
турбины, вращавшиеся теперь вхо-
лостую. начали увеличивать ско-
рость вращения. Это обнаружили
автоматы и быстро закрыли доступ
воды в турбину. Находившаяся та.м
вода, обладавшая большой ско-
ростью, ничем не удерживаемая,
продолжала двигаться. Естественно,
что при этом она оторвалась от на-
правляющего аппарата и там обра-
зовался вакуум. Вода опустилась
настолько, насколько хватило энер-
гии противодействовать вакууму.
Затем она двинулась вспять и со
всей мощью ударила по турбине, по
лопаткам направляющего аппарата.
Действие такого мощного удара
можно сравнить только с действием
взрыва. Один агрегат был пол-
ностью разрушен.
разумеется, такой эффект можНо
би io предвидеть заранее и обеспе-
инть меры, исключающие его. в
крышке турбины, отделяющей тур.
бин\ 01 помещения, где находи^
генератор, ставят специальный кла-
’ н который называется клапаном
'пыва вакхума Когда под крышкой
появляется вакуум, превышающий
норму клапан открывается, впус-
кает"'в образовавшееся простран-
ство воздух- и обратный гидравли-
ческий удар предупреждается. В
описанной истории клапан был не-
исправен. Это вызвало аварию.
Мы не напрасно проводим ана-
логию между взрывом и гидравли-
ческим ударом. Во время Великой
Отечественной войны у нас появи-
тись комулятивные снаряды, кото-
рые пробивали броню «тигров*,
«леопардов» и других фашистских
чудовищ. Действие этих снарядов
также основано на гидравлическом
ударе Корпус снаряда начинен
взрывчаткой, в головной части
имеется взрыватель и воронкообраз-
ное углубление, покрытое специаль-
ным металлом (рис. 54). Когда
происходит взрыв заряда, горячие
газы и металл, который при этом
давлении ведет себя как жидкость,
фокусируются в узкую струю, на-
правленную вперед. Вот эта струя
и пробивала броню немецких
танков.
В мирное время гидравлический
удар тоже нашел применение. Речь
идет о гидропушке. Что такое гид-
ромонитор, знают, наверное, все.
Струя воды, которую непрерывно
качает мощный насос, может найти
различное применение. Можно по-
тушить пожар, находясь на безопас-
ном расстоянии от огня; можно раз-
рушить породу, если она не очень
прочная. Если бы создать струю с
давлением в десятки, сотни раз
большим, то она могла бы разру-
шить даже гранит, пробить отвер-
стие в стальной плите. Но такого
насоса, работающего непрерывно,
не создать. Вот если энергию нв-
82
капливать долго, а расходовать
быстро, то можно получить боль
тую мгновенную мощность Так ро-
дилась идея гидропушки
Небольшой компрессор в тече-
ние нескольких секунд накачивает
воздух в замкнутый объем (рис 55)
Энергию этого воздуха используют
для того, чтобы разогнать тяжелый
поршень В тот момент, когда пор-
шень достигает максимальной ско
рости, он ударяет по небольшому
объему воды Это давление может
достичь такой величины, что вода
вырвется через узкое сопловое от-
верстие со скоростью пушечного
снаряда. Такая пушка может раз
рушить самую крепкую породу, про-
бить стальной лист.
Существующие гидропушки име-
ют тот недостаток, что делают лишь
два-три выстрела в минуту. Если
объединить в одну конструкцию
двигатель, который обеспечивает
пушку энергией, компрессор и
пушку, то можно значительно упрос-
тить всю установку и увеличить ее
скорострельность. За основу такой
пушки можно взять хорошо извест-
ный свободнопоршневой дизель-
компрессор.
У свободноиоршненого дизель-
компрессора, в отличие от обьчього
двигателя с компрессором, нет
кривошипно-шатунного механизма и
поршни двигателя непосредственно
связаны с поршнями компрессора.
Такая конструкция динамически
уравновешена и потому д тускает
большие внутренние усилия и дв*
жения с большой частотой
83
Дизель-
пере-
^Гс"квоИэь Хпап
“т в трчбо"р°ес|дтл-;"
частично идет “
ХтинДРа- а остальная
врашает в^ исход повторяется
часть воз-
к0М"в^?Ррабочем объе-
.Т^мешенне поршне
компрессора ьжа «
К Р ( частично ухо-
,-л использова-
на продувание
ая часть воз-
положение оба
--- QotPM ЦИКЛ -г
поршня За рабочий объем
Если уменыоит Р в яеобходи.
^"^“обеспечения работы дви-
гателя, то мы получим Избы
энергии в каждом цикле Это *
ляет глухую донную часть компп!°
сора заменить тяжелым поршне
который будет разгоняться ПМ’
действием давления в компрессе
и ударять по воде С коростpJPe
ность такой пушки можно довест
до 60 выстрелов в минуту. Учить?
вая. что объем выстреливаемой
каждый раз воды будет небольшим
это устройство следует скорее на’
звать гидропулеметом.
ВОЛНА СМЫВАЕТ ГОРОД
ЗАРОЖДЕНИЕ волны
Вы помните, с какой неумоли
мои закономерностью морские вол-
ны набегают на берег* Сдержанные
вдали, они становятся на дыбы,
рнближаясь к берегу, а встречаясь
с препятствиями, очень сердятся и
подымают тучу брызг
Давно уже прошел шторм успо
коившееся море ласкает берег ред
кими спокойными движениями Н
вдруг, как будто в нем проснулась
прежняя ярость, оно бросается на
берег одиночной высокой волно*
Сколько поэзии можно 7видеть
в море, если на него посмотреть
глазами поэта, художника, музы
канта Но еще больше поэзии вы
обнаружите в нем, если вглядитесь
в него глазами ученого Глядя на
поверхность моря, вы увидите, как
двигаются все частицы воды, от по
верхности до самого дна В опроки
дывающейся волне вы увидите на-
рушение гармонии Одиночная сер-
дитая волна расскажет вам и о про-
шедшей буре, и о законах сложения
волн Девятый вал будет для вас не
легендой, а выражением строгого
математического закона
Вдоль гладкой поверхности моря
дует ветер Что произойдет, если
на этой глади появится складка*
Над гребнем складки скорость воз
духа будет больше, а у ее основа
ния — меньше (рис 56) Согласие
закону Бернулли, давление на греб-
не уменьшится, а у основания ста
нет больше Таким образом, появ-
ление любой неровности на поверх-
ности моря при наличии ветра при-
водит к появлению сил, которые
будут увеличивать эту неровность и
гнать ее в направлении ветра На-
капливая в себе энергию, отнятую
у ветра, эти неровности постепенно
превращаются в огромные волны,
неспособные остановиться га хе
спустя много времени после того,
как прекратился ветер
Подобно тому как люб\ю ка-
кофонию можно получить, комби-
нируя гармонические зв\ки, так и
87
беспорядочную пляску волн можно
представить в виде суммы гармо-
нических колебаний. Гармоническое
колебание можно описать матема-
тически:
у = a sin (kx 4- ct).
Если зафиксировать какой-либо
момент времени t, то график, вычер-
ченный по этой формуле, даст нам
форму свободной поверхности в
виде волнистой кривой с амплиту-
дой подъема и спуска, равной а, и
расстоянием между гребнями
Величина о (частота, с которой
волна опускается и поднимается)
зависит от силы тяжести и от дли-
ны волны. Для глубокого места
о= I -г5-, где g — ускорение сво-
~ Л
бодного падения, равное 9,8 м/с.
Таким образом, скорость распрост-
ранения волны можно выразить че-
рез длину волны и ускорение силы
тяжести
/ &
2л
. 2л
ДГ'
В другой момент времени кар-
тина повторится, однако сместится
Приведем таблицу, показываю-
щую, как изменяется скорость рас-
пространения волн и их период ко-
лебания Т в зависимости от длины
волны X:
1, м 50 60 70 00 90 100 НО 120 130 140
Р, м/с 8ДЗ 9,68 10,45 11,19 11,86 1230 13.11 13.70 14.26 14,80
Т.с 6^0 6,70 7,15 7,59 830 839 8,76 9.12 9.46
УР**0, Скорость смещения, кото- Отсюда видно, что длинные вол*
Й? 2?зывают скоРостью распро- ны медленно опускаются я поДУ
охранения волны, будет равняться маются, но зато быстро
о> —шлются по поверхности мор»* IW.
веденные формулы я глбл УЯЯ
ляют с помощью секундомера опре-
делить скорость распространения
волн и их длину. Для этого доста-
точно только измерить частоту их
набегания.
длине волны. радиус окружности
будет в 535 раз меньше. чем на по-
верхности. Таким образом. на боль-
шой глубине море спокойно е лю-
бую погоду
ВОЛНА БЕЖИТ, ВОДА ОСТАЕТСЯ
До сих пор мы с вами говорили
только о форме волны. Как же дви-
жутся частицы воды? Впечатление,
что вода двигается вместе с волной,
хотя и сильно, но обманчиво. Если
бы это было так, то волны пере-
несли бы всю воду от одного берега
к другому. Однако этого не проис-
ходит. Полное решение задачи о
волновом движении показывает, что
каждая частица жидкости описы-
вает замкнутую кривую, близкую
к окружности (рис. 57) Когда точ-
ка находится на гребне волны, она
движется вместе с волной, затем
опускается вниз, а оказавшись во
впадине, она смещается назад, а
после этого — вверх. Такую кривую
будет описывать поплавок, если кет
ветра. Частицы жидкости. находя*
Щиеся на некоторой глубине, также
описывают окружности, но меиынг
го радиуса. На глубине, равной
СЛОЖЕНИЕ ВОЛН
Ветер возбуждает одновременнс
волны различной длины и. частоты
Что произойдет, если б море сло-
жатся две волны, частоты и длины
которых мало отличаются друг от
друга3 Там. где фазы обеих волн
совпадают, амплитуда результирую-
щей волны удвоится. А там. где их
фазы противоположны, амплитуда
будет равна нулю. Скорость рас-
пространения такого пучка волн,
которую называют групповой ско
ростью, в два раза меньше скорости
распространения волн, из которых
этот пучок состоит.
Теперь можно сказать, что де-
вятый вал — это максимум резуль-
тирующей волны, образовавшейся в
результате сложения неснолмок
близких во частоте волн меньшей
амплитуды. Однако номер этой вол
ны но счету не обнэнтымо манен
быть девятым.
Сложение волн .можно проиллю-
стрировать весьма простым спосо-
бом. Возьмите две расчески с раз-
личной частотой зубьев. Наложите
их одна на другую и глядя через
них на свет, перемешайте их отно-
сительно друг друга. Вы увидите,
как вдоль зубьев побежит волна
светлых и темных полосок.
ВОЛНЫ ЧУВСТВУЮТ ДНО МОРЯ
До сих пор мы не учитывали
влияния дна на волновое дви-
жение жидкости, т. е. считали, что
жидкость имеет бесконечную глу-
бину. При какой глубине можно
пренебречь наличием дна? Как
известно, на глубине, равной длине
волны, колебание жидкости на-
столько мало, что ее можно считать
неподвижной и заменить твердым
дном. Таким образом, для океан-
ских волн глубина 100 м будет счи-
таться малой, а короткие черномор-
ские волны испытывают влияние
ГОЙ. Ближний конец, находящийся
На более мелком месте, имеет мень-
шую скорость, чем тот копен, кото-
рый находится вдали то берега. Та-
кая волна ведет себя как шеренга
сотдат по команде «правое плечо
вперед*. Волна разворачивается
своим фронтом к берегу.
Вдали от берега в движении
участвует толща воды, равная дли-
не волны. Эта масса воды обладает
определенной, довольно значитель-
ной энергией. Что же происходит,
когда волна выходит на мелкое
место? Толщина водяного слоя
уменьшается. Энергия воды не мо-
жет исчезнуть, и меньшее количест-
во воды поднимается на большую
высоту. Это и приводит к тому, что
вочна становится очень крутой, а
потом С ШУМОМ опрокидывается.
Такую волну нельзя представить в
виде суммы гармонических колеба-
ний, и она в буквальном смысле на-
рушает гармонию.
дна только вблизи самого берега.
Законы волнового движения
жидкости в том случае, если ее глу-
бина меньше длины волны, иные,
чем для глубокой жидкости. Ско-
рость распространения волны те-
перь уже не зависит от длины вол-
ны, а зависит от глубины А;
v ~ \rgh .
Групповая скорость равняется
той же величине. Указанная зависи-
мость скорости v от глубины объяс-
няет одно интересное обстоятель-
ство. Волны в открытом море могут
двигаться в самых различных на-
правлениях, в зависимости от на-
правления ветра, их вызывающего.
В то же время гребни прибрежных
волн всегда параллельны берегу.
Где и почему эти волны поворачи-
ваются лицом к берегу? Анализи-
руя предыдущую формулу, можно
понять, как это происходит. Пусть
волна идет так, что один ее конец
находится ближе к берегу, чем дру-
ЦУНАМИ
Итак, мы с вами попытались раз-
глядеть за шумом и брызгами мор-
ского прибоя закономерности дви-
жения воды. Теперь можно понять
такое грозное явление природы, как
волны цунами.
Эти волны образуются при раз-
личных геологических катастрофах
в глубинах океана. Это может быть
оживший подводный вулкан, земле-
трясение, образование складок дна
или появление нового острова. Во
всех этих случаях большая масса
воды испытывает сильный толчок,
отчего образуется гигантская вол-
на — цунами. Поперечные размеры
этих волн исчисляются километра-
ми, а длина фронта — десятками и
сотнями километров. И хотя высота
нх, как правило, не велика, всего
несколько десятков сантиметров,
так что на фоне обычных океански*
волн их не видно, они таят в себе
огромную энергию.
90
Такая волна благодаря своей
большой длине обладает н большой
скоростью распространения, дости-
гающей иногда 700—800 км/ч От
места катастрофы волна спешит
со скоростью современного самоле-
та к островам и материкам, покры-
вая тысячи километров расстояния
Совершенно незаметная в океане
на глубоких местах, волна цунами
становится неузнаваемой, когда
приближается к берегу, где глубина
становится меньше Скрытая в ней
энергия поднимает большие массы
воды на высоту до 40 м Гигантская
волна обрушивается на берег и
оставляет за собой руины там, где
были города, и обломки на месте
лесов.
Именно такая катастрофа не
очень давно произошла на Куриль-
ских островах Потрясающее по
драматизму и достоверности описа-
ние цунами дано в рассказе Н Мар-
тьянова «Не спи! Цунами нападав
из-за угла» *:
«Я взглянул в сторону воды.
Так вот ты какое! Встретились мы
с тобой... Под низким светлым солн-
цем, перерезая спокойную синеву,
шла на берег невысокая, темная и
тоже какая-то очень спокойная по-
лоса. Вот на ней местами забился
белый, прозрачный от солнца вен-
чик, перекатывающийся шум стал
нарастать, н я понял, что просто
не успею добежать ни до склона,
ни даже до мостков через нашу
речушку.
Оглянулся — назад тоже было
поздно. Оставались шлюпки — до
них было метров тридцать.
Похоже, что эту первую волну
ослабила прибрежная гряда камней.
Я пригнулся, стоя рядом со шлюп-
кой, и дьявольски холодный ледя-
ной вал не то захлестнул, не то
подтопил нас. Я толком ничего не
успел сообразить, как отхлынувшая
волна медленно и как-то очень
• «Знание — сма», 1965 г„ М 9.
длинно вытащила мен* в б./ту
Отнесло меня довои ьи далеко —
метров за триста—четыреста
РУГ шумело и шум даже у клался
Чертыхаясь и отплевываясь я ста.
стаскивать сапоги, и разе- в
шнсь, случайно взглянул в ст мм*
океана
Это было так страшно чт
закрыл глаза Потом поем
опять И еще успел подумать что
дело мое дрянь Совсем дрянь По-
тому что над всей этой мелко* тол
чеей — надо мной, на. тл
над бухтой — нависал темный пере
ливающийся, застывший и весу
шиися серо-зеленый водя и й кря«
Он валился на меня с нахл б - -
ной белой, как льдина, грядой на
верху, и последнее, что я виде.- —
его косой об, и во нему сте
кали вниз какие-то легкомысленные
струйки и разорванные кружева
пены Это была вторая, глаь ая
волна
Меня оторвало от шлюпки, под-
няло, завертело — и вдр\т выбро-
сило в какой-то чужой мир. на чу-
жую планету, где не было ни ветра,
ни воды, ни земли, ни воздуха, ни
пены — только страшная белая не-
продыхаемая смесь, пустая и вяз-
кая, а в ней меня поворачивало и
медленно швыряло, оглушенного,
задыхавшегося.
Внезапно это кончилось. Гре-
бень цунами ушел вперед, а я
соскользнул по тыльной стороне
волны еще дальше в океан. Я каш-
лял и отплевывался, но я дышал,
я был жив! И я не отрываясь
смотрел на берег и видел, как
взлетали в воздух бревна и доски
причалов, как в пене швырнуло
вперед разваливающиеся сараи ры-
бозавода, как далеко по речушке
побежал высокий поворотливый
вал. А волна со спадающим бурым
гребнем шла дальше и дальше, вот
уже были сбиты крайние домики,
и мне показалось, что грязная wet
догнала последние черные пятныш-
ки убегавших люде!...
Я
Волна остановилась и лениво
поволокла с собой в бухту крыши,
щиты, бочки, шлюпки, доски».
Знание законов волнового дви-
жения жидкости позволяет опреде
лить время, за которое волна цуна-
ми достигнет берегов, предугадать
наиболее опасные участки берега.
Все это необходимо для предупреж-
дения возможной катастрофы.
на
волны
В ТОПЛИВНОМ ОТСЕКЕ РАКЕТЫ
Волны бывают не только
море. Главную часть веса совре-
менной ракеты, предназначенной
для освоения космоса, составляет
жидкое топливо. Волновое движе-
ние топлива в баках ракеты в боль-
шой степени влияет на ее движение.
А о точном управлении ракетой без
учета тех возмущений, какие вно-
сит волна, не может быть и речи.
К этим возмущениям еще добав-
ляются упругие колебания корпуса
ракеты. Движение жидкости в
упругих баках представляет труд-
и интересную математическую
пЯД?аК Ведет себя то™иво, когда
Р находится в состоянии не-
весомости? В этом состоянии нет
ни верха, ни низа. И если топливо
занимает только часть бака, то где
оно будет находиться? Чтобы по-
нять важность этого вопроса, пред-
ставим себе, что произойдет после
включения тормозного двигателя,
если топливо располагалось несим-
метрично относительно оси ракеты.
Ракета начнет кувыркаться, как
фейерверочная игрушка.
КОР АБЛЬ НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ
Имеется и еще одна область
техники, где нужно глубокое зна-
ние законов волнового движения
жидкости. Дешев и надежен вод-
ный транспорт. Но XX век спешит,
пытаясь обогнать время. И вот на
реках появились стремительные
суда на подводных крыльях, для
которых родной стихией скоре
является воздух, чем вода.
Появились такие суда и на м р
ских линиях. Однако плавают*
только в спокойную
перь, перед тем как
плавание, вы должны
погоды. Виноваты в
которые то лишают
погоду. ”
отправиться »
ждать у
этом
суд*»
92
н; |||>И1П1МИ1«<1 ШО Н свои 1ЯЖ1-.1ЫС
ОЙ1.Я । НЯ.
В нис1<>я1Цее время ученые и
HHzhi'iiepi'i многих стран работаю!
над созданием судов с \прав-
|'яемымн подводными крыльями
(рис. 58). Система автоматического
\правления так изменяет угол ветре
чп крыла с волной, что корпус с>д-
на нс испытывает никаких колеба-
ний, н оН- Двигаясь по прямой, не
выскакивает п.з воды и не погру-
жается в волны. Можно себе пред
ставить, каким точным должно быть
такое управление, как точно при-
дется определять движение волны!
Когда эта задача будет решена,
морские суда будут как птицы ле-
тать над бушующими просторами,
а путешествие в штормовую погоду
превратится в увлекательную про-
гулку.
КАК ИСПОЛЬЗОВАТЬ ВОЛНУ
Океанские волны обладают до-
вольно большой энергией. Чтобы
понять это, достаточно увидеть, как
легко качает волна огромный оке-
анский лайнер. Еще большое впе-
чатление производит зрелище раз-
рушенных железобетонных дамб,
которые не смогли устоять под уда-
рами штормовых волн.
Использовать энергию волн труд-
но, поскольку она рассредоточена
по большому пространству. Поэтому
пока будем говорить о спорте.
Здесь пример нам подают дельфи-
ны. Многие видели, как небольшие
группы дельфинов, расположив-
шись вблизи форштевня движуще-
гося судна, плывут долго и быстро
без всяких видимых усилий. При
этом они плывут непосредственно
под поверхностью воды или погру-
жаются до глубины 1,5—2,0 м. Зона
их «катания» располагается вправо
и влево от плоскости симметрии на
1.5 м. Когда дельфин плывет в
плоскости симметрии судна, его
хвостовой плавник находится впе-
реди форштевня на расстоянии от
0,1 до 1,5 м Если дельфин плывет
сбоку, то хвостовой плавник рас-
полагается позади форштевня на
0,3—0,5 м. Дельфины могут плыть
друг за другом или друг над дру-
гом. Они приближаются к судн\
своим ходом и на расстоянии 6—9 м
резко сворачивают к форштевню.
Прежде чем занять постоянное
положение, перемещаются перед
форштевнем вправо и влево. Они
могут часами плыть перед кораб-
лем, совершенно не двигая плавни-
ками.
Чтобы понять, как удается дель
финам так плавать, обратимся
к рис. 59. На каждую точку поверх-
ности тела дельфина действует гид-
ростатическое давление, равное весу
водяного столба в рассматриваемой
точке. Дельфин располагается так,
что его задняя часть находится под
гребнем волны, в зоне высокого
гидростатического давления, а голо-
ва — под впадиной, в зоне малого
давления. Разность этих давлений
н вызывает его поступательное дви-
жение. Нет сомнения, что большие
ветровые волны также нспояьзуют
ся стаями дельфинов для быстрого
и экономного передвижения.
Возможность движения за счет
соскальзывания с переднего склона
волны используется в спортивном
катании на доске («серфинге»)
(рис. 60). Этот вид спорта очень
развит в Австралии и в некоторых
других странах, где большие океан-
ские волны подходят к самым бере-
гам. Искусство такого катания
состоит в умении управлять процес-
сом скольжения. Если вы напра-
вите движение круто вниз по скло-
ну волны, то сможете обогнать вол-
ну, спуститься в ее впадину. Там
вы потеряете скорость, доска погру-
зится в воду, а волна, настигнув,
накроет вас своим гребнем. Мед-
ленное соскальзывание приведет к
тому, что волна вас обгонит и вы
окажетесь на заднем склоне ее.
Значительно меньше искусства
нужно, чтобы оседлать волну на
легкой лодке, однако в этом случае,
как правило, нам не хватает ско-
?ости, чтобы не отстать от волны.
1ри достаточной мощности двига-
теля можно постоянно удерживать-
ся на переднем склоне волны. При
этом расход топлива в двигателе
существенно уменьшится.
Рассмотрим два рядом плыву-
щих корабля (рис. 61). При дост!-
точно близком расположении каж-
дый из них оседлает волну другого
и будет испытывать дополнитель-
ную толкающую силу. Если мы за-
хотим постоянно использовать преи-
мущество парного плавания, объе-
диним эти два корабля общей над-
стройкой. А чтобы выпуклость внеш-
них бортов не создавала лишней
волны, обрежем их вдоль оси — по-
лучится катамаран с малым волно-
вым сопротивлением. Само собой
разумеется, что такая конструкция
эффективна только для быстро пла-
вающих судов, когда волновое
сопротивление превосходит сопро-
тивление трения смоченной поверх-
ности судов, которая в этом случае
удваивается.
Катамаран предоставляет еще
одну возможность экономии расхо-
дуемой энергии. У всякого быстро-
ходного судна за кормой от винта
возникает высокая волна. Передний
склон этой волны можно использо-
вать, если волну приблизить к кор-
пусу судна. Этого можно достичь,
разместив гребной винт между кор-
пусами в их средней чести. Подни-
мающаяся от него волна oywjj
создавать в кормовой части суди
повышенное давление и дояслня
94
тельную толкающую силу. В то же
время пониженный уровень воды в
передней части судна уменьшит его
лобовое сопротивление.
Нет сомнения, что такая кон-
струкция заинтересует и мастеров
водно-моторного спорта, и судо-
строителей. Первым она позво-
лит достичь рекордных скоростей,
вторым — повысить экономичность
судов.
СМЕРЧ В ВАННЕ И В ОКЕАНЕ
Наверное, каждому из вас при-
ходилось видеть смерч на улице.
Чаще всего маленький смерч соз-
дается ветром, который, вырвав-
шись из-за угла, начинает, как за-
гулявший пьяница, кружить по
улице, поднимая вверх пыль, сухие
листья, обрывки газет. Подобный
смерч исчезает так же быстро и не-
заметно, как и появляется.
Смерч на море или в пустыне —
красивое и грозное явление приро-
ды. Огромные массы воздуха, при-
веденные во вращение неведомой
сйлой, устремляются вверх, сры-
вают крыши домов, переворачивают
автомобили, поднимают вместе с
водой мелкие суда, выбрасывая их
далеко на сушу. Известен случай,
когда в Америке смерч вырвал один
вагон из середины курьерского по-
езда и отнес его в сторону, причем
пострадал только один пассажир
Там же, в Америке. Ирвингский
смерч 30 мая 1879 г. скрутил в
компактный сверток железный мост
длиною 75 м. Этот смерч поднял на
воздух дом вместе с жильцами. Хо-
зяин дома, не понимая, что случи-
лось, открыл дверь и упал с высоты
десяти метров. На пути смерча
встретилась деревянная церковь.
Она вместе с прихожанами была
приподнята с основания и перене-
сена на четыре метра.
В 1904 г. сильный смерч пронес-
ся над Москвой. Его путь был отме-
чен разрушенными постройками,
внезапно появившимися просеками
в лесу, человеческими жертвами
Одна крестьянка шла по полю в
районе Мытищ вместе с тремя деть-
ми. Одного из мальчиков, шести
лет, смерч подхватил и унес. Натай
его только на следующий день в
Сокольниках, «а расстоянии не-
скольких километров от места, где
он был подмят. Мальчик был
и только жаммжя «а сальную
ах» О Тот аг смерч, пересекая
Цккаъ ре«у. яа несколько секунд
г-шнлее ;но, образовав траншею
с вохянымн стенками
Необходимые для возникновения
гроз, града, ливней и смерчей уело
вия появляются тогда, когда нами
кается интенсивное перемешивание
слоев воздуха теплого, легкого,
влажного с более тяжелым холод
ным Смерч возникает в облаках и
обычно начинается с вращения воз
душных масс против часовой стрел
км (в северном полушарии) Зачас
тую возникающие смерчи имеют вид
щупалец вырывающихся из обла
ков и перемещающихся над землей
Иногда из мятущихся облаков опус
кается вихрь, похожий на хобот ог
ромного слона, который решил всо
сать в себя воду, землю, строения
и людей
Хотя для появления смерча нуж-
ны совсем другие условия, чем для
появления урагана, смерч часто воз
ннкает во время урагана и вместе
с ним производит страшные разру
шення В отличие от урагана смерч
при своем движении захватывает
зкую полосу, шириной 300—400 м
и длиной 100 км, и существует не
более 10 мин. Но зато на этой поло-
се он уничтожает все. Ветры, возни-
кающие в смерче, подчас проделы
вают фантастические трюки Облом-
ки досок и даже соломинки вонза-
ются в стволы могучих деревьев. На
этом основании некоторые ученые
тают, что внутри смерча скорость
ветра может достигать скорости
зву ка
Огромная скорость ветра — это
только одна из причин разрушитель-
ного воздействия смерча Другая
ричина связана с большим разре-
жением воздуха в центре смерча
1ам. где он проходит, дома как бы
взрываются изнутри Действительно
при разрежении на 10% на каждый
вадратный метр поверхности дей-
ствует сила, равная 10 000 Н И так
вн^тпМерЧ двигается очень быстро,
внутреннее давление в зданиях не
успевает выравняться г
пониженным давлением ля НеЦ1ним
в доме уже разбиты окна И?Огда
ное внутреннее давление и т°ч
к 13рыву дома вводит
Хотя смерчи — довольно с
страненное явление, механик
явления изучен сравнительно
Объясняется это прежде Z
скоротечностью и огромной
шительной силой, г---
жает приборы и людейГ г-
свидетелей этого явления'Одна
было отмечено, что если с
ннкает во время урагана.
Распре»,
их no-
мало
всего их
'* Pa3pv-
*21лрая уиичто
невольных
1
ко
смерч воз
зуется в передней полусфере1
на или на периферии фронта пене*
движения последнего р
Чтобы понять и изучить какое
либо явление, полезно смоделиоо
вать его Оказывается, в отношении
смерча это совсем нетрудно еде
лать Вы, наверное, замечали, что
когда вода вытекает из ванны то
она почти всегда закручивается И
если глубина воды не велика, а рас
ход большой, то по оси вихря про
рывается воздушный столбик, кото
рыи и засасывается водой
Попробуем понять, что здесь
происходит Представим себе круг
лый сосуд, в дне которого имеется
отверстие Жидкость со всего сосу
ла направляется к отверстию, но
так, что линии тока остаются в дна
метральной плоскости Закрутим
чем-нибудь воду Вода теперь будет
устремляться к отверстию уже по
спиральной линии При этом, чем
ближе жидкость к оси сосуда, тем
быстрее она вращается Это явле-
ние находится в соответствии с хо-
рошо известным законом сохране-
ния момента количества движения
Согласно этому закону произведе-
ние окружной скорости течения
жидкости v на расстояние до цент-
ра г есть величина постоянная при
условии отсутствия момента сил
rv = const
Если вы внимательно смотрели,
как закручиваются фигуристы на
96
льдч, то могли заметить, что сбли-
жение разведенных вначале рук
приводит к увеличению скорости
вращения. Этот пример может слу-
жить иллюстрацией к закону сохра-
нения количества движения Напи-
санная нами формула показывает,
что на оси сосуда, где г — 0, окруж-
ная скорость должна быть беско-
нечно большой. На самом деле,
если поток и скорость течения были
достаточно велики, то скорость до-
стигает такого значения, что цент-
робежная сила разрывает поток на
оси вращения и туда устремляется
воздух. Так образуется воздушная
воронка, которая проходит сквозь
весь поток. Таким образом, смерч
на море напоминает перевернутую
воздушную воронку в ванне, где
вода и воздух поменялись местами.
Итак, теперь мы знаем, что вода
может вытекать как с вращением,
так и без вращения. Когда же и
как она будет течь? Разумеется,
когда условия потока несимметрич-
ны и постоянно вызывают закручи-
вание, то жидкость будет вытекать
с водоворотом. А если условия сим-
метричны, тогда как?
Оказывается, объяснение следует
искать в устойчивости той или иной
формы течения При малой ииген-
сивности течение без ведоворста
будет устойчивым И даже если мы
искусственно закрутим поток, ои
благодаря вязкости постепенно пе-
рестанет вращаться При большой
интенсивности потока достаточно
небольшого внешнего возмещения,
чтобы вода сильно закрутилась и
образовалась воздушная воронка
Описанный эксперимент позво-
ляет понять механизм зарождения
смерчей. Прежде всего, необходимо
существование двух слоев воздуха:
теплого и легкого внизу, холодного
и тяжелого вверху. Солнечная ра-
диация в летние дни всегда создает
такие условия. Но так как нагрев
происходит постепенно, разность
плотностей не может слишком уве-
личиться, и перемешивание слоев
происходит спокойно. Другое дело,
когда холодный воздух внезапно
приносится ветром. Особенно если
теплый и влажный воздух вблизи
земли защищен горами. В этом слу-
чае интенсивное движение воздуха
вверх может вызвать смерч.
Появление смерчей во время ура-
гана раскрывает другой мехам»
их воэимкжжяия. Псдобм) тому,
как по краям весла образуются
97
водовороты, такие смерчи возника-
ют из-за разности скоростей вблиз)
фронта урагана. Скорость внутри
такого смерча не будет превосхо-
дить скорости самого урагана.
Не очень интенсивные, т. е. без
воздушной воронки, водовороты час-
то встречаются на реках, особенно
в местах с сильным изменением про-
филя дна. Если при плавании вы
попадете в такой водоворот и не смо-
жете из него вырваться, то сделай-
те глубокий вдох и нырните туда,
куда вас увлекает вода. Вынырнете
вы там, где никакого водоворота не
будет.
Водоворот с воздушной ворон-
кой может образоваться перед пло-
тиной. Воздушная воронка может
быть и вредной, и полезной. Вредна
она в том случае, если нужно через
отверстие в плотине сбросить как
можно больше паводковой воды.
Понятно, что воздушная воронка
уменьшает отверстие, через которое
течет вода. Перегородки, разбиваю- i
щие поток на части, могут предот- ।
вратить образование воздушной во- i
ронкн. ЬД>' же возникает Heof
pjMoci'b сплава ли а мере} плотину
w возлмнная воронка может Ок*'
taib б.)лыи\м> углу! у. В этом Слу.
чае наоборо!, нужно обеспечить
начальную шкрутку воды с По.
мощью специальной дамбы.
Приведем еще один пример
нснольювання смерча, теперь уЖе
в воздухе. Давление на оси смерча
меньше, чем на периферии. Следо-
вательно. газ в этой части расши-
ряется Но при расширении газ
охлаждается. Таким образом, смерч
может служить источником холод-
ного воздуха даже в жаркую по-
году Но для этого его не нужно
ждать а нужно создать и загнать
трубу Схема такого холодильни-
ка выглядит следующим образом
(пис 62) Подведенный с большой
скоростью воздух закручивается в
тпубе На периферии он сжимается
и нагревается. Этот воздух выбра-
сывается в атмосферу. В центре тру-
бы воздух расширяется, охлаждает-
ся и отсасывается для использо-
вания.
ЧЕМПИОНЫ
ПОДВОДНОГО ПЛАВАНИЯ
О скоростях, до<1 hi а»-м.ы/ моь
скими животными, ходят д*
1сн,ты. Конечно, мно!<><- и от и? .о
юндгх преувеличение. Но в' <-
таки они основаны на фактах. оа<та
вивших ученых провести строгие
намерения.
Крупный тунец, проьтотив жив
на, начинает разматывать леек,
спиннинга Лучшей возможности
для измерения скорости этой рыбы
трудно придумать. Измерения пока
зываюз, что в течение нескольких
секунд он движется со скоростью
90 км/ч. А меч-рыбы питаются тун-
цами. В литературе за меч-рыбой
утвердилась скорость 130 км'ч Та-
кая скорость не достижима ни для
одного подводного со дна.
Вызывают восхищение ловкие и
быстрые дельфины, которые хотя и
не развивают таких больших ско-
ростей, однако дают хороший при-
мер экономичного использования
тех энергетических ресурсов, кото-
рые заключены в их мышцах.
Говоря о дельфинах, уместно
вспомнить парадокс, который лет
тридцать назад сформулировал ан-
глийский физиолог Грей. Определив
энергетические возможности дельфи
на и сопоставив их с необходимой
для его движения мощностью, он
пришел к выводу, что потребная
мощность раз в семь превосходит
возможную. Из этого противоречия
Грей сделал закономерное предполо-
жение, что дельфин обладает эффек-
тивным механизмом, который умень-
шает гидродинамическое сопротив-
ление по сравнению с контрольной
твердой моделью в семь раз.
Правда, в последнее время на
чали подвергать сомнению точность
вычислений Грея и вместо семи
называют цифру четыре, и к этому
добавляют, что при кратковремен-
ной работе дельфин может развить
мощность, в четыре раза большую
нормальной. Эти сомнения и вызва-
ли вопрос: существует ли парадокс
Грея?
101
Ппиве’ем один простой пример.
ПГа п.«вощт нам занять по
п'мГзо:-рл< «вершен»о олреж-
,’енн'Ю 5ТО™ “евнд
' г* хтчяъ'НИг ДИрИЖЗбЛбВИД
лнм сопротивление
него тела с диаметром О.э м и
пиной 2 25 М, движущегося со
^тью’25 м/с Согласно «кого-
численным экспериментальным дан
ны.м сопротивление такого тел
равняется 300 кг. Чтобы Двигать
такое тело со скоростью 25 м/с при
стопроцентном коэффициенте полез-
ного действия, требуется 100 л. с.
Рассмотренное дирижаблевидное те-
ло можно сравнить с тунцом, кото-
рый имеет такие же размеры и мо-
жет двигаться, как мы знаем, с та-
кой же скоростью. Такое сравнение
наводит на мысль, что тунец доло-
жен либо превосходить по своей
мощности табун в 100 лошадей, ли-
бо иметь весьма эффективный спо-
соб снижения гидродинамического
сопротивления. Не нужно быть спе-
циалистом, чтобы понять, что хо-
лоднокровная рыба, использующая
для окислительных процессов кис-
лород, растворенный в воде в весь-
ма малой концентрации, не может
соперничать в мощности с табуном
теплокровных животных. Кроме то-
го, на хвостовой плавник тунца,
обеспечивающий его движение, ра-
ботает только одна треть всех
мышц. Остальные мышцы не связа-
ны с хвостовым плавником и в
созданннтягн не могут участвовать.
Если бы водные обитатели испы-
тывали та«ще. сопротивление, как
построенные человеком суда, то они
не могли бы осуществлять дальние
миграции по морям и океанам.
Следовательно, природа допус-
меттакое движение в воде, которое
сопровождается малым сопротивле-
п е секрет быстР°го и эко-
Чтобы разобраться в этом
®“Ф^яозаакомимся с некоторы-
гвдРодииамики вод-
ПРИРОДНЫЕ ДВИЖИТЕЛИ
Для того чтобы какое-лнб
могло двигаться в воде, необ °
наличие силы, уравновеил1в*ОДИмо
гидродинамическое сопрОТив Щей
Как известно, в человеческих'"^1'16'
струкциях такую силу с* к°н'
гребные винты-движители, к ЗДаК)т
отбрасывают сильную струю ТоРЫе
А как создают силу ТЯрИ
дельфины и другие обитатетн бЫ’
ной среды? * В°Д-
При простейшей классификапи
движителей, используемых водн
ми животными, мы должны указат
три их типа: гидрореактивный ГибЬ
кую пластинку; машущее крыло
Гидрореактивный движитель жи-
вотных работает так же, как и во-
дометный движитель, созданный
человеком. Мощный мускульный
мешок кальмара выталкивает воду
через узкое отверстие воронки и
тем создает тягу. Поворотом во-
ронки осуществляется изменение на-
правления движения. Способность
кальмара изменять объем обуслов-
ливает некоторую специфику его
движения. При уменьшении массы
кальмара происходит дополнитель-
ное увеличение скорости движения.
Правда, при следующем цикле,
когда мускульный мешок будет на-
бирать воду, произойдет такое же
торможение. Однако в том случае,
если кальмар удирает от хищника,
такое неравномерное движение в
сочетании с высокой маневрен-
ностью может дать ему определен-
ные преимущества.
Более распространенным являет-
ся второй тип движителя, которы
мы назвали гибкой пластиАйК^1
Чисто периодическое
пластинки приводит к появда^; •
как силы тяги, так и силы
жения. Чтобы гибкая
создавала тягу, она
баться по закону бегунк®
Причем амплитуда
возрастать от носа к ЖЖИ
ционарность движенЖ
102
тинки приведет к появлению реак-
ции инерционных сил со стороны
жидкости. Эти силы на заднем
склоне каждой волны создают силу
тяги, а на переднем—силу тормо-
жения. Благодаря нарастанию ам-
плитуды эти силы оказываются
разными, отчего суммарная сила
будет отлична от нуля.
Положительный вклад сил ока-
зывается еще больше, если пластин-
ка будет двигаться с ускорением,
тогда в каждый последующий мо-
мент времени она будет находиться
в потоке с большей скоростью, чем
предыдущий. Так как в создании
тяги участвует вся поверхность, то
такой движитель способен вызвать
большое ускорение, хотя КПД его
будет не очень высок. Описанный
механизм создания тяги целесооб-
разен в тех случаях, когда нужно
сделать рывок, например, для пре-
одоления водопада, при погоне за
добычей. Угорь, форель дают пре-
красный пример такого движителя.
м АШУ ЩИ КРЫЛО
Наиболее высоким КПД обла-
дает движитель типа «машущее
крыло». Такое название объясняет-
ся сходством действия плавника с
работой крыльев птиц. Да и по сво-
ей форме хвостовой плавник тунца
очень напоминает форму крыльев
таких птиц, как ласточка или
стриж
К указанному типу движителей
относятся хвостовые плавники мор-
ских млекопитающих и чемпионов
подводного плавания — тунца и
меч-рыбы. В отличие от рыб, у
млекопитающих хвостовой плавник
расположен в горизонтальной плос-
кости и колеблется в вертикальном
направлении, почти как крылья у
птиц.
Такне движения млекопитаю-
щих, дышащих воздухом, обеспечи-
вают нм хорошую маневренность в
вертикальной плоскости. Однако
вдали от свободной поверхности, где
горизонтальные и вертикальные на-
правления не отличаются друг от
друга, работа движителей рыб и
млекопитающих не имеет различия.
Каков механизм создания тяги
у такого движителя? При попереч-
ном колебании хвостовой плавник
как бы закручивает воду, создавая
вокруг себя вихревой жгут. Кон-
цы этого вихревого шута сносятся
потоком .ни. Смыкаясь. жгу-06.
&о"гся сам плавник. В
коайнем верхнем и нижнем положе
ниях хвостовой плавник для смень
направления делает резкое движе-
ние Рблагодаря которому вихревой
жглт срывается с плавника. От
плавника отрывается заМ*нУ™е
вихревое кольцо и начинает форми-
роваться новое. На рис. 63 показа
на схема создаваемых хвостовым
плавником вихрей. Внутри вихрево-
го кольца скорость воды больше,
чем снаружи. Это создает струю
воды, направленную вниз по пото-
ку Очевидно, что так же как и у
гребных винтов, создание такой
струи приводит к появлению силы
тяги, приложенной к хвостовому
плавнику.
Какими достоинствами обладает
такой механизм создания силы тя-
ги? Исследования движителя типа
«машущее крыло» проводились на
специальном испытательном стен-
де, в гидродинамическом лотке.
Именно там была обнаружена ви-
хревая картина, которую мы описа-
ли. На стенде, кроме того, имелась
возможность измерять мгновенное
значение силы тяги и потребляемую
мощность. Эти измерения показали
большую эффективность такого
типа движителя. В частности, сила
тяги в швартовом режиме, т. е. при
испытании в неподвижной жидкости,
оказалась почти в четыре раза
больше, чем у обычного движителя
с той же ометаемой площадью и с
той же частотой вращения. Расход
мощности на единицу силы тяги при
этом также оказался несколько
меньше. Именно этим объясняется
способность дельфина стоять, почти
полностью высунувшись из воды.
Создаваемая таким движителем
тяга зависит от ометаемой плавни-
ком площади. А так как поперечные
размеры плавника превосходят по-
перечные размеры туловища, то и
оиетаемая площадь оказывается
Польше поперечного сечения туло-
ВОДУ с
•еская
и есть
-1 Дель-
вихрем,
тяга
что возможно и КОМ'
двух
вища дельфина или тунца, у
созданных человеком, площадь^°В’
таемая гребными винтами, в °Ме'
намного меньше поперечного пСегДа
ра судна. Чтобы создать ЗМе'
мощью узкой струи заметную П°'
приходится отбрасывать с
большой скоростью. Кинетич<
энергия такой струи — это г
потерянная энергия. У рыб ц
финов струя, образованная г
очень широкая, и необходимая
образуется уже при малой скорости
в этой струе. Мала п потерянная
мощность. Эти достоинства позво
ляют морским животным развивать
большие скорости. Тело у них вере-
тенообразное и малоподвижное
Мощная мускулатура через сухожи-
лия заставляет колебаться доволь-
но жесткий хвостовой плавник с
большой частотой.
Заметим,
бинированное использование
типов движителей. В минуту опас-
ности работает весь плоский кор-
пус, обеспечивая большую тяговую
силу. В спокойном состоянии рабо-
тает только хвостовой плавник как
наиболее экономичный движитель.
У читателей, увлекающихся под-
водным спортом, может возникнуть
вопрос, как усовершенствовать нож-
ные ласты для человека. Изготав-
ливаемые в настоящее время ласты
являются комбинацией гибкой плас-
тинки и машущего крыла. Причем
достоинства обоих движителей ис-
пользуются слабо. Появившиеся в
последнее время длинные монолас-
ты несколько улучшили тягу за счет
использования гибкой пластинки.
Проведенные исследования пока-
зали, что ласты типа «машушее
крыло» будут намного более эффек^
тивными. Однако устройство их бо-
лее сложно. В то время как гибку
пластинку можно изготовить
пассивных упругих элементов гшд
ходящей жесткости, машушее
ло требует механизма принудит^,,
ной перекладки в крайних вер*
и нижнем положениях.
104
КОНТРРОТОРНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ
Колебания хвостового плавника
дельфина совершаются так, что
максимальная амплитуда дости-
гается в средней части плавника
Конны плавника благодаря упру-
гости прогибаются и колеблются с
меньшей амплитудой.
Иначе обстоит дело у птиц
Максимальная амплитуда дости-
гается именно на концах крыльев,
а центральная часть остается почти
неподвижной. Крылья совершают
вращательное движение навстречу
друг другу. Это обстоятельство по-
зволяет сконструировать машущее
крыло, используя два равномерно
вращающихся навстречу друг другу
винта.
Такие винты называют контрро-
торными (рис. 64). Две лопасти
двух винтов подобно двум крыльям
поднимаются вверх. В том положе-
нии, когда обычные крылья осу-
ществляют перекладку, чтобы дви-
гаться вниз, лопасти винтов также
осуществляют перекладку, оставляя
после себя вихревой шнур. Затем
лопасти с нулевым углом атаки
проходят самое верхнее положение
и меняются местами. После этого
снова осуществляется установка ло-
пастей под некоторым углом атаки,
при этом они опускаются вниз, как
два крыла птицы. Соседние лопасти
будут выполнять свою работу, не
мешая первым.
Контрроторный винт со специ-
циальной программой перекладки
будет создавать такую же тягу, что
и машущее крыло, и в то же время
будет динамически уравновешен-
ным. Поскольку машущее крыло
особенно эффективно в швартовом
режиме и в режиме большого
сопротивления, то контрроторный
винт целесообразно использовать в
качестве гребного винта для бук-
сиров. Такой винт способен создать
почти в четыре раза больший упор,
чем обычный, и вдобавок дать неко-
торый выигрыш в КПД.
СЕКРЕТЫ БОЛЬШОЙ СКОРОСТИ
Итак, мы убедились, что водные
животные обладают различными,
подчас совершенными, механизма-
ми создания тяги. Однако это ни-
сколько не отвечает на вопрос, ко-
торый возникает в связи с парадок
сом Грея. Ведь движитель служит
лишь средством превращения мус-
кульных усилий в тягу, необходи-
мую для движения. Каким бы со-
вершенным не был этот движитель,
он не может иметь КПД выше
100%. Чтобы быстро двигаться,
нужно иметь либо большую мощ-
ность, либо малое сопротивление
Большую мощность рыба не может
иметь по физиологическим причи-
нам; значит, она должна обладать
значительно меньшим сопротивле-
нием, чем ее твердая модель, сопро-
тивление которой нам известно.
Первое, в чем обычно ищут
объяснение большим скоростям
водных животных,— это их форма.
Действительно, форма быстроход-
ных рыб н млекопитающих весьма
совершенна. Характерно, что хотя
рыбы и млекопитающие сильно раз-
личаются по своему происхожде-
нию и физиологическим признакам,
105
одинаковые условия плавания при-
вели к большому сходству их внеш-
них форм.
Опережая вопросы читателя, ска-
жем, что судостроители в полной
мере использовали опыт живой при-
роды (рис. 65). Если подводные
лодки времен второй мировой вой-
ны имели большую длину, отноше-
ние которой к диаметру достигало
11 — 13, то современные лодки име-
ют форму, близкую к форме тунца,
с отношением длины к диаметру
5-6.
Однако, хотя оптимальная фор-
ма и позволяет уменьшить расход
мощности и увеличить скорости
подводных лодок, экономичность и
скорость плавания водных живот-
ных остались недостигнутыми. Ведь
парадокс Грея, о котором шла речь
выше, относился именно к этим
оптимальным формам.
В чем же может быть секрет
быстрого плавания? Напомним, что
течение вязкой жидкости может
быть двух типов: слоистым (лами-
нарным) и турбулентным, с бурным
перемешиванием слоев. Легко по-
,.^нчь что во втором случае гидро-
ляимнческое сопротивление движе-
будет значительно больше. Ка-
ким путем можно предотвратить п-
реход ламинарного течения в тгпсЛ
лентное? Один из эффективны/ Л
гей это введение полимерных д
бавок, изменяющих физически
свойства жидкости. Действие hoti?
мерных добавок может быть дВо
стороны, добавки
- - и
с Другой
1 ПОЛи-
воспрепятствовать
слое, а
яким. С одной
могут уменьшить вязкость жидкост
в пристеночном ~
стороны, длинные молекулы
меров способны j -
мелкомасштабным возмущениям, кщ
торые характерны для турбулент-
ного течения. Важным свойством
полимерных добавок является то
что указанный эффект они вызыва-
ют при весьма низких концентра-
циях (10 д 10 4%}. Добавка такого
полимера в охлаждающую жидкость
радиатора уменьшает сопротивле-
ние на 70%. Вращающийся в
жидкости диск при наличии поли-
мерных добавок испытывает на 60%
меньшее сопротивление.
Все эти экспериментальные дан-
ные позволяют считать слизистое
покрытие многих костистых рыб
эффективным средством снижения
гидродинамического сопротивления.
Если к тому же принять во внима-
ние, что молекулярный вес слизис-
тых выделений значительно больше.
чем у испытанных человеком син-
тетических полимеров, и способ по-
дачи полимеров в пристеночный
слой более совершенный, чем в опы-
тах, то можно предполагать, что ры-
бы достигают большого эффекта с
меньшим расходом вещества, чем
это осуществлено в опытах.
Теоретический анализ влияния
полимерных добавок показывает,
что они способны увеличить допус-
тимые размеры и скорости, при
торых сохраняется ламинарное те-
чение, только в ограниченных
лах. Следовательно, крупные ж
строплавающие рыбы и'
тающие должны иметьДруг^Д^^^
низы снижения conponnw^^^^g
связанный со слизнстШШ\^Д^^а
ннями на шшерхяоеш^Ж!
3;u<i> уместно вспомнить об
ViIру । о демпфирующем покрыт ин,
п «обретенном американским ниже
пером Крамером, которое модели-
рует такое покрытие у дельфина
Не будем останавливаться на кон
етрукпии такого покрытия, а ска-
жем только, что своими свойствами
оно должно обеспечивать поглоще-
ние всех возмущений, развитие ко-
торых и приводит к разрушению
ламинарного течения. Проведенные
Крамером эксперименты показали,
что его покрытие способно умень-
шить сопротивление на 40%. Осо-
бенностью такого покрытия являет-
ся то, что оно вызывает уменьше-
ние сопротивления только в узком
диапазоне скоростей. Вне этого
диапазона это покрытие способно
даже увеличить сопротивление. Не
исключена возможность, что некото-
рые млекопитающие и рыбы поль-
зуются именно таким способом сни-
жения сопротивления. Кроме того,
для расширения диапазона допус-
тимых скоростей они могут регули-
ровать упругие свойства своего по-
крытия. Однако и этот способ сни-
жения сопротивления становится не-
эффективным с ростом размеров и
скоростей. Поэтому даже у дельфи-
на, скорость которого при длине
тела два метра достигает 10—15 м/с,
а тем более у тунца и меч-рыбы, сле-
дует искать другой механизм
жения сопротивления.
Таким механизмом может
бегущая по поверхности тела вол-
на. Остановимся более подробно на
том, какое именно течение форми-
руется вдоль бегущей волны и бла-
годаря чему она способна умень-
шать сопротивление. На рис. 66
показано, как течет жидкость
между гребнями волны. Передний
фронт волны как бы выбрасывает
жидкость в поток, а задний фронт
откачивает эту жидкость. Таким об-
разом, бегущая волна заставляет
двигаться вдоль тела некоторый
слой жидкости. Именно это обстоя-
тельство и приводит к уменьшении
сни-
быть
сопротивления Однако чтобы такое
течение реализовалось. н»л.нс Вь.
полнить несколько сп,шмальни? \с.
ловий. Прежде всею, длина волны,
должна быть достаточно малой
,:ho необходимо по дв^м причинам
Во-первых, на всей длине тела
должно укладываться но меньшей
мере несколько десятков таки?
волн, так как в первых из них ука
чанное течение только будет фор
мироваться, и лишь последующие
будут служить целям уменьшения
сопротивления. Во-вторых, малый
размер волны нужен еще и для
устойчивости ламинарного течения
между гребнями волн. При боль-
ших размерах волны это течение
может разрушиться, превратившись
в бурное турбулентное течение Вот
почему бегущая волна, предназна-
ченная для снижения сопротивле-
ния, должна в корне отличаться от
крупномасштабной волны, которая
обеспечивает водному животному
тягу. Мы подчеркнули этот факт
потому, что в популярной литера-
туре часто смешивают эти два типа
волн.
Другое условие, которому долж-
на удовлетворять бегущая волна,
Рш 66
107
согласование скорости движе-
ния тела н фазовой скорости вол-
ны. т к бегущая волна способна
не только уменьшать, но и увели-
чивать сопротивление. Для провер-
ки эффективности бегущей волны
была изготовлена специальная мо-
дель, которая получила шутливое
наименование «стиральная доска».
Эксперименты показали, что если
скорость движения волны меньше
половины скорости движения моде-
ли, то сопротивление последней
больше сопротивления гладкой по-
верхности. С дальнейшим ростом
скорости волны сопротивление
уменьшается и при равенстве ско-
ростей модели и волны оно стано-
вится в 3—4 раза меньше сопротив-
ления гладкой поверхности.
Какое же устройство генерирует
и поддерживает бегущую волну?
Таким механизмом может быть
гидроупругий флаттер поверхности
животного, т. е. автоколебания
упругого тела в быстром потоке во-
ды. Подобно тому как ветер вызы-
вает на поверхности моря бегущие
волны, движущаяся вода может
вызвать волны на коже дельфина
или тунца. Напрягая или ослабляя
подкожные мышцы, животное мо-
жет регулировать упругие свойства
своего покрытия и настраивать их
,ЧТ0 с та-
еогла-
нервый
зависимости от скорости плава-
в а Заканчивая рассказ о влиянии
бегущей волны, скажем, --
„им объяснением хорошо
“"ется парадоксальный, на
?Лляа фа^ наличия шеро
на поверхности тела у таких
быстроходных животных, как аку-
°, парусники, меч-рыбы. Шерохо-
патость как бы увеличивает сцепле-
ние между телом и той частью
ппчы которая увлекается бегущей
ВОЛНОЙ.
Читатель может спросить: если
известен механизм снижения сопро-
тивления, то почему же его не при-
меняют до сих пор на судах? На
это имеются свои причины. Во-пер-
вых, бегущая волна способна не
только уменьшать сопротивление,
но и увеличивать его. И следует
провести довольно сложные экспе-
рименты, чтобы найти параметры
волны, которая будет уменьшать
сопротивление. Вторая причина —
чисто конструктивного характера.
Сделать корабль с такими стенка-
ми, упругие свойства которых мо-
гут меняться, довольно сложная
задача. Однако для человека важ-
но познать эффективность природ-
ных приспособлений, а затем он
может либо повторить их, либо
найти удобное для себя решение.
ПОЛЕТ
В ЖИВОТНОМ МИРЕ
ПЛАНИРУЮЩИЙ ПОЛЕТ
Еще совсем недавно в-к <
завистью смотрел на -й... которое
легкостью покрывали боль^и.'-
расстояния, а он, царь лриро_ь..
вынужден был медленно лереот . -
'.ать по земле. Но человек иа -чилс?.
летать и летает теперь быстрее ,
дальше любой птицы. Однако за-
конное чувство превосходства над
птицами омрачается сознанием того*
что человек осуществляет свой по-
лет слишком неэкономично
Такие птицы, как почтовый го-
лубь, орел, ласточка, стриж, летают
со скоростью 100—110 км/ч. Даль-
ние беспосадочные перелеты слчжат
доказательством большой эконо-
мичности полета птиц. Колибри —
самая маленькая из птиц — переле-
тает Мексиканский залив, делая в
ночь более 800 км. Золотая ржанка
летит зимовать из Новой Шотлан-
дии в Южную Америку, и в хоро-
шую погоду, по наблюдению орни-
тологов, преодолевает расстояние
в 4000 км за 48 ч.
Совершенство птиц, как и во вре-
мена Икара и Дедала, приковывает
к себе наше внимание. Как ни пре-
красны современные воздушные
лайнеры, в которых мы за считан-
ные часы переносимся в города Си-
бири и Средней Азии, они являются
только транспортными средствами,
а мы являемся пассивными пасса-
жирами.
Иначе себя чувствуют летчики-
спортсмены на специальных спор-
тивных самолетах. Послушная ма-
шина делает человека покорителем
воздушной стихии. Однако спортив-
ная авиация требует довольно
сложных и дорогих технических
средств, предъявляет высокие тре-
бования к летчику-спортсмену Эти
причины препятствуют массово-
му распространению авиаижипюго
спорта. И миллионы людей. «рако-
винных к земле силой тяжести, вы-
нуждены томиться от меудовлетво
мию* жажды нолета. л радом»
Годиом свами бо^-ио ре*
ВЯТС* СфИВВ. «рОЖСТЙ** • ЖМ*
Й1
страны журавли. Летательный
аппарат их предельно прост и до-
ступен, кажется, любому живому
существу. Этим объясняется исклю-
чительный интерес к проблеме ма-
шущего полета со стороны молоде-
жи. Попробуем и мы разобраться в
некоторых «секретах» полета птиц.
Планирующим полетом, кроме
птиц, пользуется большое количест-
во животных. Так например, лету-
чие рыбы энергичными движениями
хвостового плавника развивают ско-
рость 18 м/с, которая оказывается
достаточной для частичного выхода
из воды. После этого грудные плав-
ники, которые были сложены вдоль
туловища, разворачиваются над во-
дой, образуя несущие плоскости.
Благодаря большой скорости и
большой площади плавников рыба
отрывается от воды полностью и
совершает планирующий полет.
Пролетев 20—40 м, рыба снижается
настолько, что хвостовой плавник
вновь касается воды. Энергичные
движения хвостом вызывают новое
увеличение скорости, в результате
чего рыба снова отрывается от воды
и продолжает планирующий полет.
Некоторые виды лягушек имеют
на лапах удлиненные пальцы, меж-
ду которыми натянуты перепонки
значительной площади. Взобрав-
шись на дерево, такая лягушка спо-
собна перелететь, планируя сверху
вниз, расстояние до 20 м.
Среди рептилий к планирующе-
му полету приспособились летаю-
щий дракон и несколько видов
змей. Несущая поверхность у ле-
тающего дракона образована склад-
ками кожи, расположенными по бо-
кам туловища и поддерживаемыми
удлиненными ребрами. Эта малень-
кая ящерица, обитающая в лесах
на юге Азии, способна летать меж-
ду деревьями, стоящими на расстоя-
нии 70 м друг от друга. Летающие,
а точнее, планирующие змеи так
сплющивают свое тело, что оно на-
поминает ленту. В таком состоянии
они и совершают свои прыжки с
вершин деревьев, на которые они
забираются по стволу.
Вымершие в конце мезозоя
летающие ящеры - птерозавры —
имели длинные крылья в виде ле-
тательной перепонки, опорой кото-
рой служил удлиненный палец пе-
редней конечности. Некоторые пред-
ставители этой группы достигали
гигантских размеров (размах кры-
тьев до 7 м). Из-за низких аэроди-
намических качеств птерозавры ед-
ва ли были хорошими летунами.
Однако планирующий и парящий
полет они могли использовать в
полной мере.
ПАРЯЩИЙ ПОЛЕТ
К планирующему полету непо-
средственно примыкает парящий.
Действительно, планирование в ин-
тенсивном восходящем потоке будет
сопровождаться не только горизон-
тальным перемещением, но и подъе-
мом вверх, как, например, при поле-
тах планеров.
Многие птицы используют этот
вид полета как наиболее экономич-
ный. Такие птицы как альбатрос,
серебристая чайка, черный аист и
другие, могут часами держаться в
воздухе, ни разу не взмахнув
крыльями. Однако способы парения
птиц значительно более разнооб-
разны, чем у планеров.
Кроме парения в восходящих
потоках, птицы способны использо-
вать пространственную и времен-
ную неравномерность встречных по-
токов. Рассмотрим возможность па-
рения в воздушном потоке, скорость
которого возрастает с высотой.
Пусть птица планирует по ветру с
какой-то, начальной высоты. При
этом скорость птицы будет склады-
ваться из скорости ветра и скорос-
ти планирования. Достигнув неко-
торой скорости, птица постепен-
но поворачивает навстречу ветру*
Встречная скорость будет почт»
112
дна раза больше скорости ветра
При этом подъемная сила крыльев
окажется больше веса птицы и она
начнет подниматься.
Скорость ее движения, естест
венно, будет уменьшаться. Однако
благодаря тому, что она при подъе-
ме попадает в слои воздуха со все
возрастающей скоростью, встреч-
ный поток будет некоторое время
сохраняться. В тот момент, когда
движение птицы относительно воз-
душной массы полностью прекра-
тится, птица должна повернуть по
ветру. Последующее планирование
приведет ее в ту же точку на мест-
ности, однако на большую высоту.
Повторяя описанные движения, пти-
ца будет подниматься все выше и
выше.
Другой вид динамического паре-
ния можно осуществлять, исполь-
зуя порывы ветра. Расчеты показы-
вают, что если птица летит против
ветра в тот промежуток времени,
когда ветер усиливается, и по вет-
ру, когда он ослабевает, то по за-
вершении цикла она оказывается
выше точки, с которой начинался
цикл. Полет птиц по восходящей
винтовой линии, который можно
часто наблюдать в природе, слу-
жит только для увеличения высоты
(рис. 67). Но и при движении в
одном направлении птицы могут
осуществлять динамическое паре-
ние. Для этого им достаточно ме-
нять подходящим образом угол ата-
ки крыла и лететь с переменной вы-
сотой.
МАШУЩИЙ ПОЛЕТ
Планирование и парение, хотя и
представляют экономичные формы
полета, могут осуществляться толь-
ко с некоторой начальной высоты,
а далекий перелет возможен только
при определенных метеорологиче-
ских условиях.
Универсальной формой полета
является активный машущий полет.
из
ппименяемый птииами, насекомыми,
летучими мышами и даже некото-
рыми рыбами. Насекомые являют-
ся наиболее древней формой жи-
вотных применяющих такой спо-
соб полета. Длительный период
эволюции насекомых привел к
огромному разнообразию форм ма-
шущего полета. Частота взмахов
варьируется от 5 Гц у крупных ба-
бочек (например, у махаона) до
1000 Гц у мелких двукрылых.
Многие насекомые могут зави-
сать в воздухе, как вертолет. При
этом крылья у них совершают коле-
бания в горизонтальной плоскости.
Попробуем понять, в чем может
заключаться преимущество висения
насекомого по сравнению с висе-
нием вертолета. Прежде всего
отметим, что законы механики
являются общими как для живых
существ, так и для механизмов.
В частности, предмет весом Р будет
висеть только в том случае, если он
отбрасывает вниз определенное ко-
личество воздуха, в соответствии с
законом импульса:
Р = Mv,
где Р— вес предмета;
v и М—— скорость и масса от-
брасываемого воздуха.
Если через S обозначить пло-
щадь, ометаемую крыльями, то
М ~ pSp.
Следовательно,
Р ~ pSv2.
Для того, чтобы отбросить мае-
Су воздуха М со скоростью ? "уж-
шит?: "оп₽°“ен™о« КПД север-
шить в единицу времени работу
*=4-^=4- Р&3.
-Л- пХнГЛХи^Т
висимости от веса: щпость в за-
N sss
Очевидно, что с ростом
мой площади уменьшается
мощности. Однако при этом уВо -
чиваются потери на трепне '
вращение воздуха. Это обет,
ство и требования к
°Метае.
РасХод
и На
п оятель.
крыльев не позволяют беспределСТИ
увеличивать площадь S и темЛЬН°
мым уменьшать мощность N. Са'
С учетом реальных потерь
мощности в ваттах была получек
следующая формула: у еНа
Д'» 0,8 4'-,
где L — размах крыльев, м.
Проанализируем с помощью этой
формулы, как меняется удельная
мощность п при изменении абсо-
лютных размеров:
A = o,8J2L
Р L •
При пропорциональном измене-
нии размеров вес Р будет меняться
по такому закону:
Р = аР,
где а—некоторая константа.
Тогда удельная мощность в ват-
тах на ньютон будет равна
п = 0,8 ]/ aL .
Следовательно, удельная мощ-
ность воробья с размахом крыльев
L = 0,25 м будет в 10 раз меньше
удельной мощности летательного
аппарата с размахом крыльев 25 м.
В свою очередь, насекомое с раз-
махом крыльев 2,5 мм может обой-
тись удельной мощностью в 10 раз
меньшей, чем воробей.
Различие в абсолютных значе-
ниях мощностей для рассмотренных
случаев еще больше бросается в
глаза. Вычислим мощность, необхо-
димую для висения воробья, по та-
ким данным:
Р « 0,ЗЗН, L » 0,25 м.
Расчет дает N ~ 0,6 Вт.
Из приведенных выше WWg
следует, что мощности ДйЯ
114
<5
тов различных размеров относятся
следующим образом
7V’~ f/. •
Отсюда следует, что насекомому
достаточно мощности
= 0,6/1 ОО’7* = 0,6 10~7 Вт,
а мощность аппарата, в 100 раз
большего, чем воробей, должна рав-
няться
У2 = 0,6 • lOO7’ = 6000 кВт
Эти расчеты позволяют объяс-
нить, неутомимость насекомых и ма-
лую грузоподъемность вертолетов.
Представим себе летательный аппа-
рат, который изготовлен по образ-
цу и подобию воробья, но предназ-
начен для транспортировки челове-
ка. Вес аппарата примем равным
1000 Н. Так как вес должен быть
пропорционален кубу линейного
размера, то для размаха крыльев
мы получим такую формулу:
3 г--
L =--0,25 ^-^-^3,6 м.
/ 0,33
Необходимая для висения мощ-
ность будет равна
/V = 0,8 —= 7 кВт.
□ ♦О
Удельная мощность будет равна
п = 7 Вт/Н.
Таким образом, для висения че-
ловека с помощью крыльев необхо-
дима мощность, которую способны
развить десять лошадей. В связи
с этим возникает вопрос о мощ-
ностях, необходимых для висения
с помощью несущего винта, и о раз-
личии в работе машущих крыльев
и воздушного винта.
В главе «Гидродинамика живот-
ных» был описан движитель типа
«машущее крыло». Именно потому,
что работа хвостового плавника
дельфина близка к работе крыльев
птиц, мы можем воспользоваться
экспериментами на модели плавки
ка дельфина.
Возвратно-поступательное дви-
жение крыла, согласно этим дан
ним, создает в четыре раза боль
ший упор, чем винт той же илоща
ди, вращающийся с той же часто
той, что и крыло. Следовательно,
крыло будет создавать такой же
упор при частоте колебаний в два
раза меньшей, а это приведет
к четырехкратному уменьшению по-
терь на трение о воздух. Так же
как и для судовых движителей, для
вертолета можно сконструировать
контрроторный воздушный винт, ко-
торый будет обладать достоинства-
ми машущего крыла.
Если для насекомых висение на
одном месте является наиболее ти-
пичной формой полета, то крупные
птицы никогда этого не делают, да
по-видимому, и не способны к это-
му. Горизонтальное перемещение
для них является обязательным.
При описании машущего полета
обычно приводят несколько доволь-
но сложных схем колебаний крыла,
которые объясняют, за счет чего
крыло может создавать положи-
тельную тягу как при движении
крыла вниз, так и при движении
вверх. Наиболее экономичным яв-
ляется почти планирующий или
парящий полет, когда сила веса
уравновешивается движущимися по-
ступательно крыльями, а слабые
взмахи поддерживают необходи-
мую горизонтальную скорость. В
этом случае планирование и созда-
ние тяги могут рассматриваться
как два независимых процесса.
Обычное планирование сопро-
вождается потерей высоты потому,
что только при скольжении по на-
клонной линии сила тяжести может
дать тянущую компоненту. Машу-
щие движения крыльев могут обес-
печить необходимую тягу, и в этом
случае планирование будет проис-
ходить по гориэонталыгой или даже
по восходящей лиипи. Какую силу
U5
выполнять
к какую примера рас
крылья при это д полет При
смотрим горизон * а крыльев, рав
этом подъемная си. Р соверШать
СНЛ.е „’Хы Н «елоаательно.
никакой работ -оП01нительнои
яе «'Дет ^’ать доп^
«маТ горизонтальнуютягу. ра»’
мощности, необходимой ДЛ была
зонтального полета ’
выведена следующая формула
Л'„ =0.236₽Г5:-0.23^1^
Здесь, как и раньше,
р — вес птицы, И;
L — размах крыльев, м;
Л — мощность, Вт.
Так же как и для случая висе-
ния, из этой формулы можно сде-
лать вывод о большом росте нео
холимой мощности с ростом разме-
ра птицы. Что касается удельной
мощности, то она также растет про-
порционально величине £:
= 0,236 |
Подсчитаем входящие сюда ве-
личины применительно к альбатро-
су, у которого Р = 120Н, L — 4,2 м.
Тогда
Z?
а = ~ = 1,62 Н/м3.
LJ
Мощность, необходимая для го-
ризонтального полета, будет равна
74 Вт.
А теперь вычислим мощность
летательного аппарата, - подобного
альбатросу, но весом 1200 Н (при-
близительный вес аппарата вместе
с человеком). Такой аппарат дол-
жен иметь размах крыльев
з / р
t=j/4=9'1 «
Следовательно, = 1080
Это, конечно, больше, чем
Вт.
-пи, нипсчно, иольше, чем может
развить человек. В этом случае без
мотора обойтись нельзя. Констп
торы .мускулолетов, т. е аппарат К
использующих силу МЫЩц(
„ути увеличения размаха КрЛ "°
Если увеличить величину рЬее
30 метров, не меняя веса аппап Ао
то можно уложиться в мощ„о^Та’
которую способен развить чечовТЬ’
Однако при этом обязательно В?К'
растет и вес аппарата, что „отпе
бует дополнительного увеличен
длины крыльев. Предел, на котор/**
остановится этот процесс увеличе
ния веса и размеров, зависит
материалов и конструкции крыльев
Однако даже если такой аппарат
построить, то пользоваться им мож-
но будет только в абсолютно тихую
погоду. Мощности человека при
столь больших крыльях не хватит
чтобы преодолеть самый слабый
встречный ветер.
Теперь, когда мы пришли к столь
неутешительному выводу о муску-
лолете, можно опять обратиться к
планеру, который уже и сейчас ле-
тает без всяких усилий со стороны
человека, хотя и требует специаль-
ных метеорологических условий.
Значительно лучших результатов
можно достичь, если использовать
возможность динамического па-
рения.
Если обратиться к примеру
птиц, то можно предположить, что
они своими органами чувств вос-
принимают порывы ветра, централь-
ной нервной системой анализируют
эту информацию, т. е. определяют
амплитуду порыва, нарастание его
или убывание, и с помощью мыши
меняют подходящим образом угол
атаки крыла.
Но еще более естественно пред-
положить, что порыв ветра сам от-
гибает крыло и меняет угол атаки.
Чем сильнее нарастает скорость
ветра, тем больше изгибается кры’
ло. Ветер пошел на убыль — крыло
разогнулось, угол атаки уменьшив"
ся. Легко понять, что такой прост0 ‘
закон управления можно
чить подходящей конструкн*1®8
‘.•W
116
жесткостью крыла. Центральной
нервной системе и системе управле-
ния остается только следить, когда
нужно менять направление полета.
такой задачей могут справиться
даже птичьи мозги.
Применительно к планеру эту
идею можно осуществить различ-
ными способами, один из которых
мы сейчас рассмотрим. Нарастаю-
щий встречный порыв ветра вызы-
вает замедление полета планера.
При этом всякая масса, располо-
женная внутри планера, будет
стремиться к перемещению вперед.
Возникающую при этом силу мож-
но использовать для поворота за-
крылков планера. Наибольшей мас-
сой, помещенной в планере, обла-
дает, конечно, планерист. В том
случае, если его кресло будет
укреплено на подвижных шарнирах
(рис. 68), замедление полета, вы-
званное порывом ветра, будет со-
провождаться отклонением кресла
вперед. Это перемещение может
быть использовано для поворота
закрылка так, чтобы увеличить
подъемную силу крыла. При ослаб-
лении ветра пружины возвращают
кресло, и следовательно, закрылки
в прежнее положение. Планер с та-
КИМИ крыльями будет отнимать
энергию у неравномерного встреч-
ного потока и тем самым сохранять
или даже увеличивать высоту поле-
та. В том случае, если воздушный
поток мало меняется во времени, но
сильно меняется по высоте, можно
использовать пространственную не-
равномерность потока. Применяя
руль высоты, можно заставить пла-
нер летать по синусоидальной тра-
ектории, то опускаясь вниз и попа-
дая в слабый поток, то поднимаясь
вверх и попадая в сильный встреч-
ный ветер. При этом планер будет
подвергаться действию переменного
во времени встречного ветра, энер-
гию которого он может использо-
вать. Такого же эффекта можно
достичь при движении по винтовой
линии.
Теперь, когда мы ознакомились
с некоторыми особенностями полета
птиц, можно оценить перспективы
полета человека на индивидуальном
летательном аппарате. Прежде все-
го подчеркнем, что машущий режим
не содержит в себе никакого секре
та или чуда. Расчетные 10 кВт мощ-
ности, необходимые для висения че-
ловека в воздухе, получены с уче-
том всех преимуществ машущего
117
Увеличенная нагрузочная
У ^четыре раза) позво-
" размеры ‘Фыл*£’
^2" Уменьшает мощность, необ-
пипМЧЮг^Лонтального полета че
'*’* толчется в десять раз мень
л^яежа требуется превосходит
лгтъ ветер то обязательно бу-
ет в неоднородность воздуха либо
Х^рТлибо переменная ско-
Xпо высоте А эти условия по-
££зяют летать без всякого источ
^Но^ведь прежде чем использо-
вать энергию ветра, нужно поднять-
ся в воздух, нужно поддерживать
полет в промежутках между поры
вами ветра Во всех этих случаях
понадобится хотя бы кратковрем*
но мощность около 1 кВт Kpa-rw
временность необходимой рабп^
наводит на мысль использовать
кумулятор энергии. Таким акку»£
лятором может быть маховик с*
временные маховики из кварцевЛ>*
волокон допускают большое числи
оборотов и запасают 0,1 кВт/ч энер
гии на каждый килограмм массы
Пятикилограммовый маховик спосо
бен поддерживать горизонтальный
полет человека в течение 30 мин
А этого, по-видимому, более чем до-
статочно и для взлета, и для поиска
восходящих потоков воздуха или по-
рывов ветра
При парении в воздухе можно
заряжать инерционный аккумулятор
либо с помощью мускульной силы,
либо используя избыточную энергию
порыва ветра. В таком режиме по
лета мощности человеческих мышц
окажется вполне достаточно для со
хранения высоты
МАГНИТНАЯ
ГИДРОДИНАМИКА
МАГНИТОГИД1’ОДИН АМИЧЕСКИИ
НАСОС
Bev, мн? мы до i их нор узнали
о гидродинамике, не имело связи
с магнитными полями И поэтому
сочетание слов «матитная гидро
динамика» на первый н я ляд может
показаться удивительным Однако
вспомним основные законы элек-
тродинамики. Разве, когда Фара
дей или Максвелл формулировали
свои законы, они исключали воз-
можность того, что проводник ока
жетсм жидким? Итак, если жидкость
обладает электропроводностью, то
гидродинамика может соприкасать-
ся с электродинамикой. А посколь-
ку на проводящую жидкость силь-
ное действие оказывает магнитное
поле, динамику такой жидкости и
назвали магнитной.
Наблюдения за поведением
жидкости в магнитном и электриче-
ском полях проводятся так же дав-
но, как и опыты с электрическим
током. Однако практический смысл
они приобрели совсем недавно.
Рассмотрим принцип действия и
конструкцию простейшего магнит-
ного насоса, предназначенного для
перекачки жидких металлов. Пред-
ставим себе скрещенные магнито-,
электро- и гидропровод (рис. 69).
По вертикали от одного полюса
к другому проходит поток магнит-
ных линий. По горизонтали от
одного электрода к другому течет
электрический ток. Через эти скре
щенные электрическое и магнитное
поля течет проводящая жидкость,
как указано стрелкой. Вырежем в
потоке жидкости небольшой эле-
мент, направленный вдоль электри-
ческого поля. Такой элемент можно
рассматривать как обычный про-
водник. По правилу Ленца такой
проводник, расположенный в нояе-
речном магнитном поле, будет «с-
пытывать силу, направляемую во
стрелке. Так как всю жадность
можно разбить на такве элемштар-
ные проводннаж» то стшмэмтсв а©-
мятным, кто жидаясть
Ш
На этом принципе построены кон-
дукционные электромагнитные на-
сосы.
Подобно тому как динамомаши-
на может выполнять роль источни-
ка постоянного тока и электродви-
гателя, кондукционный насос мож-
но превратить в источник постоян-
ного электрического тока. Для
этого достаточно только прину-
дительно прогонять проводящую
жидкость через магнитное поле.
В электротехнике известны кол-
лекторные электродвигатели (кон-
дукционные) и электродвигатели
переменного тока, в которых отсут-
ствует непосредственный электриче-
ский контакт с подвижными обмот-
ками якоря. Естественно ожидать,
что можно создать и индукционный
насос.
Действительно, если возле по-
тока жидкости поместить элек-
тромагнит, питаемый переменным
током, то в жидкости будет наво-
диться электрический ток. Если
электромагнит начнет двигаться,
то за ним будет увлекаться и
жидкость. Однако передвигать
электромагнит нет нужды. Доста-
точно вдоль потока разместить не-
сколько электромагнитов, а пере-
менный электрический ток в них
посылать с некоторым сдвигом фаз
(рис. 70). В результате возникнет
магнитное поле, изменяющееся как
во времени, так и вдоль потока.
При этом гребни магнитного поля
будут перемещаться (бегущая вол-
на). Такое магнитное поле увлекает
за собой и проводящую жидкость.
На описанном принципе и построе-
ны индукционные электромагнит-
ные насосы.
До сих пор мы пользовались
упрощенным объяснением, т. е. счи-
тали, что жидкий проводник ничем
не отличается от твердого подвиж-
ного проводника. В таком изложе-
нии удалось обойтись электротехни-
ческими понятиями и избежать гид-
родинамических. На самом же деле
при необходимости произвести точ-
ный расчет и конструирование на-
соса приходится решать уравнения
магнитной гидродинамики, которые
представляют собой совокупность
уравнений обычной гидродинамики
и электродинамики. Кроме того, на
проводящую жидкость будут де»'
ствовать как сила тяжести, так и
силы электромагнитного происхоЖ'
дения, отсутствующие в обычной
жидкости.
122
Область применения магнитной
гидродинамики вообще и электро-
магнитных насосов в частности уже
сейчас очень широка и растет с
каждым днем. Для примера ука-
жем на атомные реакторы. В неко-
торых конструкциях особо энерго-
напряженных реакторов охлажде-
ние осуществляется не газом и во-
дой, а жидкими металлами. Особен-
но удобными для этих целей
являются щелочные металлы — ка-
лий и натрий, обладающие большой
теплопроводностью.
Построить обычный механиче-
ский насос для перекачки раскален-
ного жидкого металла, побывавшего
в радиоактивной зоне, почти невоз-
можно. У стального подшипника,
находящегося в среде жидкого нат-
рия, свариваются подвижные части
с неподвижными. Этот и дру-
гие недостатки исключают воз-
можность применения обычных на-
сосов для перекачки жидких ме-
таллов. Магнитогидродинамический
насос (МГД-насос) здесь оказы-
вается особенно необходимым.
Или другой пример. Трудно себе
представить какой-либо технологи-
ческий процесс, в котором воду
перевозили бы в ковшах из одного
Цеха в другой. А вот расплавлен-
ный чугун или сталь возят в ков-
шах. Создание мощных электромаг-
нитных насосов позволит отказать-
ся от разливки и перевозки
расплавленных металлов. Это осво-
бодит завод от громоздких желез-
нодорожных составов с чугуновоза-
ми, устранит горение жидкого ме-
талла в воздухе при его разливе,
к большому огорчению всех опера-
торов кинохроники, так полюбив
ших этот процесс за его зрелищ-
ность.
Одной из важных проблем маг-
нитной гидродинамики является
изучение морских течений в маг-
нитном поле Земли. Действительно,
морская вода способна проводить
электрический ток, Земля обеспечи-
вает постоянное магнитное поле.
Конечно, и плотность тока, и на
пряженность поля невелики. И силы,
возникающие при этом, намного
меньше сил, вызванных ветром. Но
если учесть, что ветер действует
на воду только на поверхности,
с разной силой и в разных наврав
лениях, а электромагнитные силы
постоянны н действуют во всей глу-
бине, то преимущество окажете» на
стороне последних.
133
МГД-ДВИЖИТЕЛЬ
Способность .морской воды про-
водить электрический ток наводит
на мысль создать МГД-насос для
ее перекачки и применить этот на-
сос в качестве судового движителя.
Магнитное поле, создаваемое элек-
тромагнитами, пересекает зазор,за-
полненный морской водой. Перпен-
дикулярно плоскости чертежа с
помощью электродов подводится
ток. В результате вода потечет сле-
ва направо, вызывая силу тяги.
Проста идея, да трудно осуществи-
ма! Трудности возникают из-за ма-
лой проводимости морской воды.
На электроды невозможно подать
высокое напряжение, так как при
этом на них начнет выделяться га-
зообразный хлор и водород. А это
приведет к еще большему сопро-
тивлению жидкости. Вот и прихо-
дится довольствоваться малой плот-
ностью тока в насосе.
Единственный способ увеличения
силы тяги МГД-движителя — это
повышение напряженности магнит-
ного поля. Но на этом пути есть
свои трудности. Обычные медные
обмотки и железные сердечники,
даже если смириться с их громозд-
костью, позволяют создать поле с
индукцией не более 1 —1,5 Т. Для
морской воды этого недостаточно.
Из этого положения может вы-
ручить только использование свой-
ства сверхпроводимости металлов
при низкой температуре. Сверхпро-
водящий проводник допускает ог-
ромную плотность тока и почти не
требует энергии для его поддержа-
ния. Одно плохо — уж слишком
низкая температура для этого тре-
буется. Так самый лучший сплав
для этих целей, сплав ниобия и
олова, требует охлаждения жидким
водородом до температуры 18 К
(—255°С). Необходимость поддер-
жания столь низкой температуры
создает свои технические труднос-
ти. Нужна эффективная теплоизо-
ляция электромагнита, нужна сис-
тема охлаждения и сжижения
водорода. Но так как другой воз*
можности нет, то идут на все -эТ)
усложнения. 1
В литературе появилось Со.
общение об успешном испытании
МГД-движителя на пятиметровой
модели судна. Г ромоздкость дВи
жителя, дополнительное гидрОдИНа'
мическое сопротивление, малая
удельная мощность — все это, ко-
нечно, следует отнести к серьезным
недостаткам. Однако исследователи
считают, что бесшумность такого
движителя — столь большое досто-
инство, что работы по созданию
МГД-движителя следует продол-
жить.
До сих пор мы считали обяза-
тельным, чтобы магнитное и элек-
трическое поля подводились снару.
жи, а проводящая жидкость была
заключена внутри насоса-движите-
ля. Вывернем все наизнанку. Пусть
поля подводятся изнутри, а снару-
жи находится проводящая жидкость,
в данном случае морская вода
(рис. 71). Это позволит, например,
разместить источники полей в кор-
пусе судна, а в качестве полюсов
магнита и электродов использовать
всю поверхность судна.
В отличие от вышеописанного,
такой движитель не вносит допол-
нительных поверхностей, и следо-
вательно, не увеличивает сопротив-
ления. Что касается геометрии по-
лей, то она может быть различной.
В простейшем случае это могут
быть скрещенные поля электриче-
ского и магнитного диполей, поме-
щенных в центре. Собственно, ди-
полей в центре может и не быть:
магнитное и электрическое поля
создаются на поверхности судна.
При такой геометрии поля прони-
кают на большое расстояние от
судна и вызывают движение жидкос-
ти перпендикулярно осям обоих
диполей.
Возможен более сложный слу-
чай, когда полюса магнитов и элек-
троды чередуются, как полоски на
124
арбузг. В этом случае магнитное
и электрическое поля закорачивают-
ся вблизи поверхности судна, а
электродинамическая сила, ими со-
здаваемая, будет направлена по ка-
сательной к поверхности судна, с
равнодействующей, направленной от
носа к корме.
В главе «Гидравлические маши-
ны» мы подробно рассказывали о
роторном движителе, который не
столько создает тягу, сколько умень-
шает сопротивление корпуса. Сле-
дует ожидать, что такой же эффект
возникнет и в рассмотренном
МГД-движителе. Теоретические рас-
четы показывают, что для сфериче-
ского корпуса диаметром 2 м при
индукции магнитного поля 1Т дви-
житель обеспечит скорость 1 м/с
с КПД, равным 6°/о. Увеличение на-
пряженности магнитного поля при-
ведет к повышению КПД рассмот-
ренного движителя.
БЕСТИГЕЛЬНАЯ ПЛАВКА
Можно привести еще один при-
мер, иллюстрирующий возможности
применения магнитной гидродина-
мики. Известно, что свойства полу-
проводниковых материалов пол-
ностью определяются их чистотой
(количеством примесей). Причем
допустимая концентрация примесей
исчисляется дробью с многими ну-
лями после запятой. Один из ра-
дикальных способов получения ма-
териалов такой чистоты — это бес-
тигельная плавка в каком-либо
инертном газе или вакууме. Понят-
но, что без тигля можно обойтись
только в том случае, если мы будем
удерживать жидкий металл с по-
мощью магнитного поля.
Способ удержать твердый шарик
в подвешенном состоянии очень
прост. На рис. 72 указана схема
магнитного поля, обеспечивающая
такую подвеску. Мощный соленоид,
ось которого направлена вертикаль-
но. создает вокруг себя сильное
125
магнитное поле. В верхней части
магнитно-силовые линии расходят-
ся. образуя воронку. Вот в эту
воронку и опускается шарик из
хорошо проводящего .металла. Что-
бы .магнитное поле не просочилось
внутрь шарика, соленоид питают
переменным током. Для алюминие-
вого шарика достаточно, чтобы час-
тота этого тока была равна 200Гц.
Сверху, для устойчивости равнове-
сия, иногда помещают меньший со-
леноид противоположной поляр-
ности.
Так обстоит дело с твердым ша-
риком. Но даже из приведенного
рисунка видно, что у магнитного
поля имеется на оси соленоида
«дырка», т. е. пятно, где силовые
линии ориентированы перпендику-
лярно поверхности шарика. Если
шарик будет из жидкого металла,
то он вытечет через эту дырку.
Даже магнитные поля более удач-
ной конфигурации обладают тем
недостатком, что они не могут удер-
жать жидкость. Все успешные по-
пытки бестигельной плавки ограни-
чивались малыми дозами (12—
15 г), при которых силы поверхност-
ного натяжения не позволяли капле
потерять шаровидную форму. Дело
м что магнитное поле не удер-
Б-нвает возмещений жидкой по-
Сепхноети. ориентированных вдоль
Левых линий поля. Равновесие
спанипы раздела обладает так на-
зываемой желобковои неустойчи-
востью.
Выход из этого положения мож-
найти в создании магнитного
1Я переменного направления,
д еще тучше — поля круговой поля-
ризации: Так как жидкий металл
пб та тает большой инерциеи, то воз-
никающие желобки, не успевая раз-
виться, окажутся в поперечном
К полю положении и будут подав-
лены.
БЕСТИГЕЛЬНАЯ ЗОННАЯ ПЛАВКА
Для некоторых технологических
процессов в металлургии достаточ-
но изолировать от тигля только
часть жидкого металла, а другой
частью жидкий металл может ка-
саться своей твердой фазы. В этом
случае может оказаться полезным
кондукиионный способ.
Сущность его легко понять из
рис. 73. Стержень из металла, под-
лежащего зонному переплаву, укла-
дывается в горизонтальном положе-
нии между двумя охлаждаемыми
электродами. Так же в горизонталь-
ном направлении, но перпендику-
лярно стержню накладывается по-
стоянное магнитное поле. Если те-
перь через стержень пропустить
постоянный ток подходящей силы,
то в нем возникнет вертикальная
объемная сила, которая уравновесит
силу тяжести. В этом уравновешен-
ном состоянии можно проводить вы-
сокочастотный переплав стержня.
Если стержень передвигается слева
направо, то жидкая фаза будет
поступать в охлаждаемый правый
электрод и кристаллизоваться там,
а на место ее в зону нагрева булут
поступать новые части стержня.
И в этом случае главное —
печить условия устойчивости равве-
126
вес
ния показали, что высокочастотное
продольное магнитное поле соле-
ноида удовлетворяет этим требо-
ваниям.
МГД-ГЕНЕРАТОР
Сейчас мы познакомимся еще с
одной важной и интересной об-
ластью применения магнитной гид-
родинамики. Речь пойдет о так на-
зываемом магнитогидродинамиче-
ском генераторе электрического
тока (МГД-генераторе).
Как в настоящее время полу-
чают электрический ток, вы, навер-
ное, знаете. Шахтеры под землей
добывают уголь — солнечную энер-
гию, законсервированную в окаме-
нелых растениях. Уголь везут по
железной дороге до ближайшей теп-
ловой электрической станции. Там
его дробят и подают в топку паро-
вого котла. Котел современной
электростанции — это огромное со-
оружение размером с пятиэтажный
Дом. Много металла, сил, средств
нужно, чтобы его построить. Да и
эксплуатация его обходится неде-
шево. И вот из этого котла пар по-
\пает в турбину, которая вра-
щает ротор электрического генера-
тора. Таков современный способ
получения . электрической энергии,
без которой мы не можем себе пред-
ставить ни современный быт, ни
современное производство. Атомное
топливо устраняет необходимость в
угле, но огромный паровой котел
как был, так и остается.
Описанный способ получения
электрической энергии оказывается
и громоздким, и дорогим. Ученые
поставили перед собой задачу соз-
дать такой генератор электрического
тока, в котором тепловая энергия
непосредственно превращается в
электрическую (безмашинный спо-
соб получения электрической энер-
гии).
Из всех возможных вариантов
мы остановимся на магннтогидро-
динамическом. Рассказывая об
электромагнитном насосе, мы уже
отмечали его обратимость. Если
проводящую жидкость заставить
протекать через магнитное поле, то
в жидкости в поперечном направле-
нии появится разность напряжении
Если в эту жидкость опустить элек-
троды, то можно снимать электри-
ческий ГОК.
127
Устройство МГД-генератора на
обычном химическом топливе схе-
матически показано на рис. 74. Ра-
ботает генератор следующим обра-
зом. Химическое топливо, сгорая,
создает большое количество горяче-
го газа. В расширяющемся сопле
тепловая энергия превращается в
кинетическую энергию газа, движу-
щегося со скоростью несколько ты-
сяч км/ч.
Чтобы можно было превратить
эту энергию в электрическую, газ
должен обладать достаточной элек-
тропроводностью. Электропровод-
ность газа зависит от его темпера-
туры. Для продуктов сгорания хи-
мического топлива требуется темпе-
ратура около 2750° С. Требуемую
температуру можно понизить до
2200° С с помощью добавки в газ
малых примесей щелочных метал-
лов. Итак, 2200° С — самая низкая
температура, при которой еще мо-
жет работать МГД-генератор. Те-
перь становится понятным, что
основной трудностью при создании
такого генератора является созда-
ние термостойкой камеры сгорания
и каналов МГД-генератора. Однако
успехи ракетной техники, в которой
пришлось столкнуться примерно е
такими же проблемами, позволяют
надеяться на решение этой задачи
Преимущество такого способа по-
лучения электроэнергии очевидны.
Отсутствует огромный паровой ко-
тел, нет ни турбин, ни машинного
электрогенератора. Высокая началь-
ная температура газа обеспечивает
высокий тепловой КПД, доходящий
до 60%.
АТОМНЫЕ МГД-ГЕНЕРАТОРЫ
Особенно перспективно примене-
ние МГД-генераторов в сочетании с
атомными реакторами. Представим
себе принцип работы такой уста-
новки (рис. 75). Аэрозоль гелия и
делящегося изотопа урана под
большим давлением подается в ка-
меру реактора. Размер камеры й
концентрация урана выбраны так,
что в камере образуется критич
ская масса. Процесс деления приют
дит к повышению температур** .
зовой смеси до 5500е С. > °Р
газ выходит через <yfBePCTW^S^
ширяющееся сопло (блаГОД^^;
шнрению масса перестает
тической и процесса делеян
не будет).
-4
128
1 орячий газ, хорошо проводя- цесс распада протекает мед.теннс
дий при такой температуре, про- Теперь представим себе, что б на-
болит через сильное магнитное чальный момент мы соберем боль-
поле, направленное перпендикуляр- шую часть газа в каком-либо конце
но плоскости чертежа (на схеме не трубы, например, внизу. В этой
показано), и отдает свою энергию
в электрическую цепь. Затем газ
вместе с делящимся веществом
сжимается компрессором и вновь
подается в камеру реактора.
Чтобы представить себе преиму-
щества МГД-генератора по сравне-
нию с машинным, отметим, что от
установки, не превышающей по раз-
мерам обычного турбогенератора
на 100 тыс. кВт (без парового
котла) можно получить мощность
10 млн. кВт. В этом случае можно
будет считать, что атомная энергия
нашла свое достойное применение!
Существует и другая схема пря-
мого превращения атомной энер-
гии в электрическую (рис. 76).
Длинный цилиндр из тугоплавкого
материала наполнен смесью гелия
н делящегося вещества. Для повы-
шения проводимости в газе могут
быть добавки солей щелочных ме-
таллов. Когда газ равномерно рас-
пределен по всей цилиндрической
камере, то делящееся вещество не
образует критической массы и про-
части масса достигнет критического
значения, начнется интенсивная ре-
акция распада, что приведет к
сильному повышению температуры
газа. При этом газ будет расши-
ряться, образе я перед собой фронт
ударной волны. Когда фронт достиг-
нет противоположной стенки ци-
линдра, делящееся вещество ока
жется рассредоточенным по всему
объему и атомная реакция прекра-
тится. Но газ по инерции будет дви-
гаться в прежнем направлении, что
приведет к созданию критической
массы теперь уже на правом койне
трубы. Затем процесс будет повто
ряться.
Итак, в трубе будет двигаться
(возвратно-поступательно) проводя-
щий газ. Очевидно, что если этот
газ поместить в сильное магнитное
поле, то его можно будет исполь-
зовать для генерации электриче-
ства. Периодический характер дви-
жения позволяет отказаться от
электродов, помещенных в горячий
газ, а воспользоваться индугпгмюй
189
ПОДАЧА Т«ПЛОНОСИТ«АЯ
связью. И если в предЫл
варианте полностью отказат
машины не удается, так каЬСя °Т
сжатия газа используется обы
компрессор, то здесь ком,1ре"Л?
отсутствует. Нет и электрО1ов СОр
торые подвергаются действию’ в
сокой температуры. А Кроме ВЬ|-
сразу получается переменный tow’
удобный для трансформации и п*’
редачи на большие расстояния
Основной трудностью при созда
нии высокотемпературных МГД-г
нераторов, как уже отмечалось
является создание жаропрочных ма’
териалов и конструкций. Поэтому
может представить интерес низко-
температурная машинная схема
превращения энергии распада в
электроэнергию. Аэрозоль гелия и
урана сжимается до такой плот-
ности и выдерживается столько вре-
мени, чтобы она успела нагреться
только до 1500° С. Затем газ посту-
пает на лопатки обычной газовой
турбины, которая вращает обычный
электрический генератор.
После турбины газ поступает в
компрессор, соосный с турбиной,
сжимается до критического состоя-
ния, нагревается и вновь поступает
в турбину. При такой схеме пол-
ностью снимается вопрос об уни-
кальных жаропрочных материалах.
ДЖИНН В МАГНИТНОЙ БУТЫЛКЕ
Читатели хорошо знают одного
из героев арабских сказок — джин-
на, который три тысячи лет проси-
дел в бутылке. Не в магнитной, а
в обыкновенной стеклянной бутыл
ке. У всех, конечно, вызывает уди
ление, что могущественный
ник, будучи каким-то чУде^
образом заключен в стеклянну
бутылку, оказывается смирным У
гой, готовым выполнить Л1°
лазание своего господина.
будем разрушать иллюзий, «« .
ных волшебными CKa3KaM^'
рассказ послужит их утвержД _
130
ТЕРМОЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ
I ечь пойдет о ядернои энергии
и ее укрощении. Как известно,
ндерная энергия выделяется в ре-
зультате атомного распада, при ко-
тором элементы с высоким атомным
весом превращаются в элементы с
меньшим атомным весом. Энергия
выделяемая при этом, в несколько
тысяч раз больше той. которая вы-
деляется при сгорании такого Же
количества лучшего топлива.
Ученым известна другая реак
ция, которая сопровождается выде-
лением еще большего количества
энергии. Это реакция синтеза или
термоядерная реакция, когда из
каждых двух молекул водорода об-
разуется одна молекула гелия. По
злой иронии судьбы большая часть
человечества связывает этот про-
цесс с взрывом водородной бомбы,
хотя его можно связать и с основ-
ным источником света и тепла —
Солнцем.
В недрах Солнца при большом
давлении и температуре в несколь-
ко миллионов градусов непрерывно
протекает реакция синтеза. Выде-
ляемая при этом энергия и не позво-
ляет Солнцу остыть. Ученые поста-
вили перед собой задачу — создать
управляемую термоядерную реак-
цию, которая могла бы стать для
человечества неисчерпаемым источ-
ником энергии. Как показывают
расчеты, если нагреть водород, а
точнее, его изотоп — дейтерий, до
температуры 200—300 млн.° С, то
возникнут условия, при которых
начнется термоядерная реакция.
Двести миллионов градусов!
Чтобы представить себе, что это
значит, вспомним, что на поверх-
ности Солнца всего 6000° С, а в
его недрах — несколько миллионов.
Однако ученых не пугают такие
высокие температуры. Но чтобы
достичь их, нужно решить еще не-
которые проблемы. И первая из
них — это удержать газ, нагретый
до звездной температуры.
Очевидно, что сосуд из какого-
либо материала для этой цели не
может пригодиться Проблем} мож-
но решить благодаря тому, что при
высоких температурах молекулы
газа теряют электроны, т. е. ион и-
зируются, и газ в этих условиях
становится хорошим проводником
А на проводящий газ можно воз
действовать магнитным полем, ко
торое не боится никаких тем-
ператур. Магнитное поле должно
так воздействовать на газ. чтобы
оторвать его от стенок сосуда,
образовав слой вакуума между
стенками сосуда и горячей плазмой.
ПИНЧ-ЭФФЕКТ
Чтобы лучше представить, как
это можно осуществить, рассмотрим
следующий эксперимент. В замкну-
том цилиндрическом сосуде нахо-
дится водород (рис. 77). К концам
сосуда через электроды подводится
напряжение. Если это напряжение
достаточно велико, то в зазоре меж-
ду электродами появляется разряд.
Чтобы уменьшить необходимое для
разряда напряжение и увеличить
первоначальную проводимость, газ
131
можно предварительно ионизиро-
вать, например, рентгеновскими лу-
чами. После того как через зазор
проскочит искра, начинается лави-
нообразный процесс ионизации газа.
Благодаря этому процессу газ поч-
ти мгновенно превратится в хоро-
ший проводник, через который по-
течет ток большой силы.
Осевой ток наведет магнитное
поле с кольцевыми силовыми ли-
ниями, как показано на рис. 77. Из
физики известно, что быстро меняю-
щийся ток в хорошем проводнике
течет по его поверхности. И при
газовом разряде почти весь ток
сосредоточен в поверхностном слое,
образующем полый цилиндр. Если
рассмотреть силы взаимодействия
электрического тока и магнитного
поля, вызванного этим током, то мы
обнаружим наличие силы, направ-
ленной к оси цилиндра. Эта сила
приложена к движущимся электро-
нам, которые и устремляются к
центру. Но между электронами и
ионами существует сильное электро-
статическое взаимодействие, застав-
ляющее ионы следовать за эЛек-
трояами.
Если магнитное поле имеет на-
пряженность Я, то сила магнитного
давления будет равняться
где ц — магнитная проницаемое
Эту силу называют магнитным л-
лением. В газе, особенно нагрет
имеется газокинетическое давле °М’
Р - 2nkT.
Здесь п — количество молекул в
единице объема;
k — постоянная Больцмана;
Т — абсолютная температура га-
за, К.
Очевидно, что газ будет отры-
ваться от стенки в том случае, если
магнитное давление будет превос-
ходить газокинетическое. При неко-
тором радиусе плазменного шнура
может наступить равновесие между
этими силами. В пространстве
между стенками сосуда и плазмен-
ным шнуром образуется вакуум, ко-
торый и предохранит стенки от
действия высоких температур, а
плазму — от загрязнения молекула-
ми, оторвавшимися от стенок.
Если электрический ток настоль-
ко велик, что магнитное давление
значительно превосходит газокине-
тическое, то магнитное поле можно
использовать не только для отрыва
и удержания плазмы, но и для ее
нагрева. В существующих экспери-
ментальных установках через зазор
между электродами пропускают то-
ки, исчисляемые десятками и сот-
нями тысяч ампер. При этом части-
цы плазмы начинают двигаться
к центру цилиндра со скоростью
100 тыс. км/с. Очевидно, что столк-
новение движущихся навстречу ДРУ
другу частиц плазмы приводит
сильному повышению ее темпер
туры. „nnV.
Описанный выше процесс 7
чил название пинч-эффекта. и _
эффектом было связано ми
дежд получить Д^очно
высокотемпературную плазму»
торой сможет протекать.
термоядерного синтеза, по.
осуществления этих
132
то обстоятельство, что равновесие
между магнитным и газовым дав-
лением оказалось неустойчивым.
УСТОЙЧИВОСТЬ
ПЛАЗМЕННОГО ШНУРА
Магнитное давление стягивает
плазму со всего сосуда в узкий
шнур, в котором газокинетическое
давление, благодаря повышению
плотности и температуры, стано-
вится равным магнитному. Насту-
пает равновесие. Но это равновесие
оказывается чрезвычайно неустой-
чивым. То самое магнитное поле,
которое создает плазменный жгут,
вызывает его разрушение.
Чтобы понять, что происходит
с тонким плазменным шнуром, сжа-
тым кольцевым магнитным полем,
понаблюдайте поведение тонкой
струи воды, вытекающей из крана.
Аналогия здесь в том, что действие
сил поверхностного натяжения, кото-
рое сжимает струю, можно сравнить
с действием сил магнитного давле-
ния. Струйка воды в своей нижней
части, когда она становится доста-
точно тонкой, начинает терять свою
цилиндрическую форму, на ней об-
разуются волны, а затем она дро-
бится на отдельные капли. Точно
такой же процесс происходит на
поверхности плазменного шнсра.
Отличие состоит только в том. что
процесс разрушения протекает в
миллионы раз быстрее, так как сила
магнитного давления во много раз
больше сил поверхностного натяже-
ния, а инерция газа, замедляющая
процесс, значительно меньше инер-
ции воды.
На рис. 78 показана картина
магнитно-силовых линий при изги-
бе плазменного шнура. Из рисунка
видно, что в нижней части шнура
магнитно-силовые линии располо-
жены гуще, чем в верхней. Следо-
вательно, в этой части будет боль-
ше и магнитное давление. Таким
образом, при появлении малейшего
изгиба на поверхности шнура воз-
никают силы, которые этот изгиб
увеличивают.
Еще более опасными являются
возмущения, получившие название
перетяжек (рис. 79). Магнитная
напряженность, вызванная электри-
ческим током, текущим по цилин-
дрическому проводнику, определяет-
ся формулой
Н « 211г,
133
где / _ сила тока, г — расстояние
от оси шнура. Очевидно, что сила
тока будет постоянна в любом се-
чении шнура. Но в том его сечении,
в котором появилось возмущение
типа перетяжки, благодаря умень-
шению г увеличивается магнитное
давление, которое приводит к даль-
нейшему углублению перетяжки.
Такой процесс заканчивается пол-
ным разрывом плазменного шнура,
после чего прекращается ток и
исчезает магнитное поле, удержи-
вающее плазму в сжатом состоянии.
Плазма под действием большого
газового давления мгновенно рас-
ширяется и касается стенок сосуда.
В механике известен такой прин-
цип: всякую неустойчивую механи-
ческую систему можно сделать ус-
тойчивой путем добавления системы
автоматического управления. При-
менительно к плазме система авто-
матического управления должна по-
вышать магнитное давление в том
месте и в тот момент, где и когда
плазма пытается прорваться через
магнитный барьер. Так как от систе-
мы управления в этом случае тре-
буется чрезвычайно высокое быстро-
действие и большая пространствен-
ная разрешающая способность, то
здесь оказывается непригодной
обычная схема управления, состоя-
щая из раздельных органов измере-
ния, исполнительных органп
стемы усиления сигналов. В И Си'
В упрощенном виде
автоматической стабилизации61^
мы можно описать так п Плаз'
окружают витками медного „ 3мУ
да различной намотки. Все
питаются током высокой Ча
Витки, расположенные г-
но оси плазменного шнупя
ствуют приближение г—-
его параллельном, смещении
как это меняет его инптет’,
Сииришвлсние. /другие ВИТКИ
этом же смысле чувствуют смет?
Прово,
ВИТКИ
СТОТЫ.
параллель-
- •> чув-
*”УРа при
’ Так
сопротивление. Другие ^^ки^
этом же смысле чувствуют смсша*
ние и деформации шнура по nnv
гим направлениям, в частности пп
винтовым. Это свойство превращает
витки в органы измерения системы
управления. В цепь витков вклю-
чены специальные усилители, реа-
лизующие отрицательное реактив-
ное сопротивление. Благодаря это-
му каждая система витков является
и исполнительным органом. Если
к какому-то витку приближается
плазменный шнур,
усиливается ток. ;
увеличению магнитного давления и
к восстановлению первоначального
положения шнура.
Первые же опыты с применением
средств автоматического управле-
ния позволили увеличить время су-
ществования плазмы в десять раз.
> В этом витке
Это приводит к
ТЕОРИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТ
В ГИДРОДИНАМИКЕ
ЭКСПЕРИМЕНТ А Л ЬН ЫЕ М ETO Д Ы
Дачи, которые приход” 3®
в гндроаэродинамике УченыГ^ит?
КияУвТхо П°ЛеТ Самолет‘- •• теме
и взпый иДНЫХ морских глубинах,
ппазЕы ннагР€то* До »00 или С
аппапя;/ ДВиЖение космического
аппарата в атмосфере Венеры
щест?п^Де ЧеМ пРист>"ить к ocv-
Хеные Г какоголиб° проекта,
ученые всесторонне изучают
процессы и явления, с которым
УчеХЛ СТОЛКНУТЬСЯ инженерам
Ученые должны дать этим пронес
сам не только качественную, но и
количественную оценку То, что
крыло самолета при своем движе
нии удет создавать подъемную
силу, можно понять и без научных
исследований Но для постройки
самолета этого мало Нужно очень
точно знать, каким силам будут
подвергаться крыло, фюзеляж, ка»
эти силы будут зависеть от ско
рости полета, от высоты Только в
этом случае можно подобрать не
обходимые моторы А еще большая
роль принадлежит научным иссле
цованиям при проектировании сис-
темы управления того же самолета
Как же проводятся подобного рода
исследования? Важное место в них
занимает метод физического экспе
римента
Физическое экспериментирова
ние в сущности совпадает с моде-
лированием того или иного процес-
са в специальных лабораторных
условиях. При выборе модели преж-
де всего стараются добиться ее
простоты и, следовательно, деше-
визны. Малый размер модели в наи-
большей степени отвечает этом\
требованию. Но при этом, естест
венно, возникает вопрос, как по
результатам опытов с моделями
можно дать ответы о характере эф-
фектов и различных величинах, от-
носящихся к натурным условиям.
Ответ на этот вопрос н дает хорошо
развитая в настоящее время теория
подобия и размерности.
137
Прежде всего приведем опреде-
ление подобия. Два явления будут
подобны, если по заданным харак-
теристикам одного можно получить
характеристики другого простым
пересчетом, который аналогичен пе-
реходу от одной системы единиц
измерения к другой. Подобие явле-
ния, конечно, включает в себя
обычное геометрическое подобие
испытываемых моделей, но не исчер-
пывается этим. Пусть мы испытали
модель длиной £ в потоке воздуха
плотностью р при скорости v. Сила,
которой подвергается модель, будет
равна
P = c^-L\
где коэффициент с подбирается так,
чтобы равенство выполнялось при
измеренных и принятых нами зна-
чениях Р, р, v и L.
Если в качестве измеряемой
силы подставляется сила сопротив-
ления, то вычисляемый коэффици-
ент называется коэффициентом со-
противления. Аналогично получает-
ся коэффициент подъемной силы.
Применительно к этим силам усло-
вде подобия формулируется как
условие равенства коэффициентов с
для двух различных течений. В тео-
рии моделирования используются
некоторые безразмерные числа, та-
кие как число Рейнольдса ,
— v*
число Фруда v - 77 • число Маха
Д1-
а ’ где а — местная скорость
звука; v — вязкость среды; g —
ускорение свободного падения. Экс-
периментальные и теоретические
исследования показали, что коэф-
фициент с может зависеть только
от чисел Re, Ф, М. Эту зависимость
записывают так: с — с (Re, Ф, М).
При этом условия подобия перехо-
дят в условия равенства этих чисел
для двух сравниваемых течений.
Если изучаемое течение не
имеет свободной поверхности, на-
пример при движении самолета, то
сила тяжести не влияет на такое
течение и коэффициент сопротивле-
ния не будет зависеть от числа
Фруда. При движении в воздухе
со скоростью значительно меньшей,
чем скорость звука, выпадает из
рассмотрения и число Маха. Остает-
ся только зависимость величины £
от числа Re. Как же определяют
коэффициент с? Для этой цели слу*
138
жат всевозможные аэродинамиче-
ские трубы. На рис. 80 изображена
схема простейшей аэродинамиче-
ской трубы. Воздух засасывается
можно, например, соответствующим
образом увеличив скорость и. Та-
кой способ приемлем, если скорость
оказывается значительно меньше
вентилятором через сужающийся
насадок, который называется кол-
лектором, затем проходит через ци-
линдрическую рабочую часть, где
помещается испытываемая модель,
далее с помощью диффузора под-
водится к вентилятору и выходит
наружу.
Модель крепится с помощью тон-
ких жестких стержней с весами, по-
казания которых и позволяют изме-
рить силу сопротивления, подъем-
ную силу и опрокидывающий мо-
мент. Более экономичной как по
потребляемой мощности, так и по
занимаемым размерам является тру-
ба замкнутого типа, изображенная
на рис. 81. В такой трубе воздух,
однажды приведенный в движение,
Циркулирует По замкнутому кон-
туру. Работа вентилятора в этом
случае нужна только для поддер-
жания этого движения.
Как в лабораторных условиях
обеспечивают необходимое значение
числа Рейнольдса? Если размер L
модели меньше, чем настоящего
объекта, то компенсировать это
скорости распространения звука а
в аэродинамической трубе. Другая
возможность состоит в уменьшении
вязкости v. Для этой цели можно
прибегнуть к испытаниям на воде,
вязкость которой приблизительно в
13 раз меньше вязкости воздуха.
Отметим, что буквой v обозначают
кинематическую вязкость, которая
связана с динамической вязкостью
отношением р = vp. Поэтому бо-
лее плотные жидкости, например,
жидкий металл, имеют меньшую вяз-
кость, чем воздух. Использование
воды для увеличения числа Рей-
нольдса ограничено тем известным
обстоятельством, что при больших
скоростях может возникнуть кавита-
ционный режим обтекания. Поэтому
применяют аэродинамические тру-
бы, работающие на сжатом воздухе.
В такой трубе циркулирует воз-
дух, находящийся под давлением в
15-10s Па. Несмотря на срампггааь-
но небольшие размеры и сравни-
тельно небольшую скорость потока
(около 23 м/с), на такой трубе был
получены числа Рейнольдса 3,3- 1<г.
139
Это достигалось благодаря тому,
что вязкость сжатого воздуха была
примерно в 15 раз больше, чем вяз-
кость при атмосферном давлении.
Трубы, работающие на сжатом
воздухе, обладают еще и тем преи-
муществом, что на них можно под-
бирать как число Рейнольдса, так
и число Маха, и добиваться их
соответствия натурным условиям.
Все перечисленные способы
уменьшения модели не исключают
испытания самих самолетов. На
земле такие испытания проводятся
в гигантских аэродинамических тру-
бах. Поперечное сечение рабочей
части такой трубы равно (18,3 X
X 9,15) м2, скорость потока дости-
гает 53 м/с, мощность силовых
установок, приводящих в дей-
ствие два вентилятора, составляет
5880 кВт. Другая натурная аэроди-
намическая труба, более поздней
постройки, имеет поперечное сечение
рабочей части (24,9 X 12,2) м2, ско-
рость потока 90 м/с и мощность си-
ловых установок около 26 000 кВт.
При моделировании на сверхзву-
ковых скоростях основным крите-
рием является число Маха, т. е.
отношение скорости потока к мест-
ной скорости звука. Аэродинамиче-
ские трубы, используемые для этих
целей, являются преимущественно
трубами кратковременного дей-
ствия. Сравнительно небольшой
компрессор в течение длительного
времени, иногда в течение суток
накачивает воздух под высоким
давлением в стальные баллоны. За-
тем, когда модель установлена,
измерительная и регистрирующая
аппаратура подготовлена, весь воз-
дух выпускают в аэродинамическую
трубу. Таким образом удается в те-
чение нескольких секунд получить
сверхзвуковой поток. Так как воз-
дух при расширении значительно
охлаждается, его предварительно
нагревают. Еще более кратковре-
менный эксперимент осуществляется
с помощью взрыва. В этом случае
удается достигнуть скорости потока,
в десять и более раз превышающей
скорость звука. На службу этим
экспериментам поставлены все до-
стижения современной электроники,
сверхскоростная киносъемка, позво-
ляющие запечатлеть картину тече-
ния и измерить необходимые пара-
метры.
ди 2 дги
dt~u дк2
УРАВНЕНИЯ ЗАМЕНЯЮТ МОДЕЛЬ
Мы рассказали об эксперимен-
тальном методе, которым пользуют-
ся в гидроаэродинамике. Но есть
еще один метод, который приобре-
тает все большее значение — это ме-
тод теоретического исследования,
без которого едва ли возможны
были такие достижения, как благо-
получное приземление космических
кораблей. Теоретические методы
позволяют полно и глубоко иссле-
довать какую-либо задачу до того,
как инженеры встретятся с ней.
Теория позволяет ответить, ка-
кой формы должен быть космиче-
ский аппарат, чтобы он яе сгорел
в атмосфере; каким слоем теплоизо-
лирующего и сублимирующего W
щества нужно его покрыть,
предохранить or действия высоких
Iем।к-ратур. когда нужно открыть
парашют, чтобы он не вызвал боль-
ших перегрузок и плавно опустил
корабль на Землю.
Движение газа, тепла, переме-
шивание массы и другие явления
о п I ic ы ва ются д ифферен ц и а л ьн ы м и
уравнениями в частных производ-
ных.
Не прибегая к математической
терминологии, сущность диффе-
ренциальных уравнений можно ис-
толковать следующим образом.
Предположим, нас интересует дви-
жение газа. Разобъем весь интере-
сующий нас объем на множество
маленьких кубиков. Если они доста-
точно малы, то можно считать, что
все внутренние точки объема имеют
одинаковую скорость, температуру,
концентрацию и т. д. Следователь-
но, каждый кубик можно считать
твердым. В этом случае удается за-
писать, как эти кубики обменивают-
ся за малый промежуток времени
своим количеством движения, теп-
лотой, концентрацией и т. д. Баланс
количества движения, потерянного
и полученного кубиком,— это урав-
нение движения.
Баланс тепла описывается урав-
нением теплопроводности (рис. 82).
Так же можно получить и уравне-
ние массообмена. Поскольку коли-
чество движения зависит от коли-
чества примесей, а интенсивность
массообмена — от температуры, то
все эти уравнения связаны между
собой. С помощью этих уравнений
оивие к
п и . г -г..
можно определить сост
каждый поелед\юший
времени, если извести»
душес состояние, то ь..,ь
поведение всех кубиков газ;
промежутки времени.
Как же удается решить такое
число уравнений, учитывающих
множество факторов? На помошь
ученым и инженерам приходят
современные электронные цифровые
вычислительные машины (ЭЦВМ).
Каждому из кубиков, на которые
разбит объем (иногда их число до-
ходит до тысячи), дается свой но-
мер. В машину вводят данные о за-
конах, по которым эти кубики обме-
ниваются количеством движения,
массой, теплотой. Машина вычис-
ляет, в каком состоянии оказывают-
ся эти кубики в каждый следую-
щий момент времени. Чтобы та-
кой скачкообразный процесс мало
отличался от истинного, промежут-
ки времени приходится брать ма-
лые, иногда в одну тысячную секун-
ды и меньше. Все это приводит
к необходимости вычислять и запо-
минать миллиарды различных цифр.
С такой титанической задачей
удается справиться только ЭЦВМ,
выполняющих в одну секунду сотни
тысяч и миллионы операций.
Мы рассказали о двух различ-
ных методах, которыми пользуются
в гидроаэродинамике. На самом
деле эти методы взаимно допол-
няют друг друга, позволяя получить
наиболее полные данные об интере-
сующем нас процессе.
ЛИТЕРАТУРА
Адасинский С. А. Транспортные ма-
шины на воздушной подушке. М , «Наука*.
1964. 108 с.
Арцимович Л. А. Управляемые термо-
ядерные реакции. М., «Наука», 1963. 468 с
Белавин Н И. Экранопланы. Л., «Су-
достроение», 1968. 105 с.
Гарднер Дж. Электричество без дина-
момашин. М., «Мнр», 1965. 157 с.
Елнмелех И. М. Сидоркин Ю. 1.
Струйная автоматика (пнев.моннка). Л.,
Леннздат, 1972.
К и р к о И. М. Жидкий металл в электро-
магнитном поле. М., «Энергия», 1964. 160 с.
Константннеску В. Н. Газовая смаз-
ка. Пер. с рум. Г П. Махо, под ред.
М. В. Коровчинского. М., «Машинострое-
ние», 1968. 718 с.
Лаврентьев М. А., Шабат Б. В.
Проблемы гидромеханики и их математиче-
ские модели. М., «Наука», 1973. 416 с.
Лонцянский Л. Г. Механика жидкос-
ти и газа. М., «Наука», 1973.
Прандтль Л. Гидроаэродинамика. М.,
Изд. иностр, лит., 1951. 576 с.
Седов Л. И. Методы подобия и размер-
ности в механике. М., «Наука», 1972. 440 с.
С ы р м а й А. Г. Корабль. Его прошлое,
настоящее и будущее. М., «Наука». 1967.
180 с.
Тихонравов М. К. Полет птиц и ма-
шины с машущими крыльями. М., Оборон-
гнз, 1949. 203 с.
Фабрикант Н. Я. Аэродинамика. М.,
«Наука», 1964. 814 с.
Фравк-К а менецкн й Д. А. Плаз-
—четвертое состояние вещества. М_ Гос-
, 1961. 132 с.
142
содержание
Предисловие.......................
Гидростатика g
Основное уравнение гидростатики
Закон Паскаля Поверхностное натя-
жение. Гидростатика в невесомости.
Равновесие кораблей. Аэростатика.
Корабль пустыни. Аэростатический
транспорт газа
Воздушная смазка и струйная авто-
матика . .................2з
Не помажешь — не поедешь. Воздуш-
ный подшипник. Как передвинуть хо-
лодильник. Лыжи скользят по возду-
ху. Вагон на воздушной прослойке.
Аппараты на воздушной подушке.
Экономичные АВП. Пневмоника. Эле-
менты струйной автоматики. Назначе-
ние пневмоники. Экранопланы
на подводных крыльях Как использо-
вать волну Смерч в ванне и ь океане
Гидродинамика животных
Чемпионы подводного плавания При-
родные движители Машущее крыло
Контрроторный движитель Секреты
большой скорости
Полет в животном мире
Планирующий полет Парящий полет
Машущий полет
Магнитная гидродинамика
Магннтогидродннамический насос
МГД-движитель Бестигельная плав-
ка. Бестигельная зонная плавка
МГД-геиератор Атомные МГД-гене-
раторы Джинн в магнитной бутылке.
Термоядерная реакция Пинч-эффект.
Устойчивость плазменного шнура
Человек идет по воде............... 41
Тнхне аплодисменты под водой. При-
соединенная масса. По воде можно
бежать. Бег по тонкому льду. Пере-
права без моста. «Секреты» плавания
кальмара
Теория и эксперимент в гидродина-
мике ...............................135
Экспериментальные методы Уравне-
ния заменяют модель
Литература
Динамические эффекты в жидкости
и газе.............................49
Закон сохранения энергии. Вода вы-
текает из сосуда. Кипит холодная во-
да. Измерение скорости потока.
Столкновение кораблей. Шарик висит
в воздухе. Эффект Магнуса. Парус
Флеттнера. Летающий автомобиль.
Метеорит сгорает в воздухе.
Вязкая жидкость 61
Вязкость. Подшипник. Течение Тейло-
ра. Гидродинамическое сопротивле-
ние. Как остановить качание Остан-
кинской башни. Парадокс Даламбе-
ра — Стокса. Не ньютоновские жидко-
сти
Гидродинамические машины • • ?
Воздушный винт. Гребной винт. гид-
ротурбина. Гидротрансформатор.
Гидравлический удар
Волна смывает город.................®
Зарождение волны. Волна бежит, во-
да остается. Сложение волн. Волны
чувствуют дно моря. Цунами. Волны
в топливном отсеке ракеты. Корао*»
143
ВЛ VI И М И Р ИВАНОВИЧ МЕРК»лов
Л 1 W j ’ n Л > К
ПОПУЛЯРНАЯ ГИДРОДИНАМИКА
-re-; В
Редакции лит^ратчры -j энергетике.
y.lvh Г ?О Н И Кс. К И Ot 1? Н С Г И Kf Н СВЯЗИ
ч
3 лЬг/1/г.
И ж 3 Б 5 . .Т. г. .
PrJ--.7v? ИЗД? Tc.'sCTSe
и.-..*. Т. Б ill .м о; г . в с к _ s
.\.д.~
Е о П . с з. М Д Шезчгнко
X • д.„жестзеиный оедактлг
Б‘ А Плюй '
Тех.- « ч е л в. и й редактор
С В Ивану с
Коо рек то?
А Н Бондарев г
Сдано в набор 25.111. 1975 г. Подписано к пе>
9.III. 1975 г. Формат бумага 70X100*/» Бумага
сетная М I. Объем: 11,61 усл. печ. л.; 9.925
изд. л. Зак. М 5—10Э6. Тираж 20000. БФ «
Цена 1 руб. 10 ком.
Издательство «Техн1ка», 252601, Кие». 1. Г
Пушкинская. 26.
Головное иредлрпятие республиканского npoaai
ствениого объединения «Полиграфкннга> Госа
иадата УССР, г. Киев. уд. Довженко. 3.