Елементи гідро – та аеродинаміки


Елементи гідродинаміки та гідростатики

Рідина може текти – змінювати свою форму, не змінюючи об’єм:

рідина тече, не змінюючи об'єм

При перебігу шари рідини рухаються один відносно одного:

При перебігу шари рідини рухаються один відносно одногоПри перебігу шари рідини рухаються один відносно одного

Здатність рідини текти визначається її коефіцієнтом в’язкості η (грец. “эта”):

Здатність рідини текти визначається її коефіцієнтом в'язкості η

Коефіцієнт в’язкості може змінюватися в мільйони разів:

Коефіцієнт в'язкості може змінюватися в мільйони разів

Сила, що діє на елемент спочиваючої рідини, повинна бути перпендикулярною до поверхні цього елемента. Інакше виникне течія рідини.

Сили пружності в рідині і газі називають тиском і вимірюють у Па:

p = F/S

Гідростатичний тиск рідини – тиск, викликаний дією сили тяжіння p =p0 + ρgh

Ваги Паскаля

Ваги Паскаля

Вимірювання тиску здійснюється за допомогою рідинних манометрів:

Рідинний манометрРідинний манометрРідинний манометр

Закон Паскаля – тиск, вироблений зовнішніми силами на рідину, яка знаходиться в стані спокою (або газ, але не тверде тіло) передається в усі боки однаково.

Закон Паскаля

Доказ закону Паскаля:

Доказ закону Паскаля

Застосування закону Паскаля – гідравлічний прес:

гідравлічний прес

Закон сполучених посудин – закон Паскаля для гідростатичного тиску:

закон Паскаля для гідростатичного тиску

Гідростатичний парадокс Паскаля:

Гідростатичний парадокс Паскаля

Закон Архімеда – на тіло, занурене в рідину або газ, діє виштовхувальна сила, що дорівнює вазі рідини або газу в об’ємі зануреної частини тіла:

Закон Архімеда

Ідеальна рідина – рідина, стисливостю і в’язкістю якої можна знехтувати.

Ламінарна течія – рух рідини, при якому сусідні шари ковзають один відносно одного, не перемішуючись. Неламінарна течія називається турбулентною:

Ламінарна течія

Рівняння нерозривності нестисливої рідини. Об’ємна швидкість рідини – це відношення об’єму рідини, що протікає через поперечний переріз трубки до часу, за який це сталося.
Об’ємна швидкість чисельно дорівнює об’єму рідини, що протікає через поперечний переріз трубки за одну секунду. Об’ємна швидкість = A1·v1 = A2·v2

Об'ємна швидкість

Рівняння Бернуллі:

Рівняння Бернуллі

Трубка Вентурі – застосування рівняння Бернуллі. Спосіб вимірювання швидкості рідини всередині труби:

Трубка Вентурі

Формула Торрічеллі для швидкості рідини в струмені, який витікає з посудини:

Формула Торрічеллі

Елементи аеродинаміки

Коли літак знаходиться на землі і мотор не працює, єдина сила, яка діє на нього, це сила тяжіння, тобто його власна вага. Але в польоті на літак крім сили тяжіння діють й інші сили.

Сила тяжіння завжди залишається однаковою, на землі літак чи в повітрі, і тому приємно знати, що ця постійна сила завжди з нами. Політ можливий тільки тоді, коли є поступальна швидкість (рух вперед); мінімальна швидкість польоту у різних типів літаків різна. Поступальна швидкість виходить за рахунок енергії від згорання пального, перетворюваної мотором в потужність, що передається до повітряного гвинта, який і розвиває тягове зусилля.

Запам’ятаємо, що якщо ми відриваємося від землі і піднімаємося на деяку висоту, ми вже маємо певний запас енергії (вага літака), що здатний надати літаку поступальну швидкість, коли мотор перестане її розвивати. У разі зупинки мотора на деякій висоті над землею вага продовжує тягнути літак вперед; літак не падає, а починає планувати, ковзаючи вниз, будучи весь час керованим.

Чим вище літак знаходиться в повітрі, тим більшу відстань він може пролетіти (спланувати) без мотора. Постійно діюча сила тяжіння стає чимось на зразок постійної охорони забезпечуючи літак невидимою енергією, необхідною для руху вперед, і даючи можливість літаку поступово планувати вниз з будь-якої висоти, якщо мотор зупинився. Тому, якщо спуск проводиться вміло і якщо відповідно враховується характер поверхні землі, то літак може здійснити посадку без аварії. Висота польоту повинна бути у всіх випадках такою, щоб дати літаку можливість, плануючи, пройти горизонтальну відстань, достатню для досягнення зручного місця посадки.

У польоті літак зазнає впливу багатьох сил, обумовлених наявністю повітря, але всі їх можна представити у вигляді чотирьох головних сил: сили тяжіння, підйомної сили, сили тяги гвинта і сили опору повітря (лобовий опір). Сила тяжіння залишається завжди постійною, якщо не вважати зменшення її по мірі витрати пального. Підйомна сила протидіє вазі літака і може бути більше або менше ваги, в залежності від кількості енергії, що витрачається на рух вперед. Силі тяги гвинта протидіє сила опору повітря (інакше лобовий опір).

При прямолінійному і горизонтальному польоті ці сили взаємно врівноважуються: сила тяги гвинта дорівнює силі опору повітря, підйомна сила дорівнює вазі літака. Ні при якому іншому співвідношенні цих чотирьох основних сил прямолінійний і горизонтальний політ неможливий.

Будь-яка зміна будь-якої з цих сил вплине на характер польоту літака. Якби підйомна сила, створювана крилами, збільшилася в порівнянні з силою тяжіння, результатом виявився б підйом літака вгору. Навпаки, зменшення підйомної сили проти сили тяжіння викликало б зниження літака, тобто втрата висоти.

Силу тяги гвинта можна змінювати, але сила опору повітря завжди залишається рівною силі тяги і спрямованою в протилежну сторону.
Це звучить неймовірно, чи не так? Ці чотири сили — наші постійні супутники в повітрі, тому дуже важливо, щоб ви знали і завжди зуміли уявити собі, як зміна будь-якої з цих сил вплине на політ літака. Крім того, від вас тобто від тих, хто буде керувати силою тяги, підйомною силою і силою опору повітря, буде залежати, чи зумієте ви використовувати силу тяжіння для зміни швидкості поступального руху в умовах, коли літак планує.

Коли відбувається дальній переліт, висота залежить від характеру місцевості і від переважаючого стану атмосферних умов. Поєднання цих двох умов плюс прагнення вибрати висоту, найвигіднішу щодо найменших витрат пального і максимальної швидкості, вирішує питання про те, на якій висоті треба летіти.

Енергія, витрачена при підйомі на певну висоту, частково компенсується під час планування літака, при наближенні його до місця призначення. Сила тяжіння дає додаткову рушійну силу, або збільшуючи швидкість поступального руху, якщо це потрібно, або даючи економію пального.