Техника - молодёжи 1965-02, страница 10

«— Природа бссиопеч на и полна парадок сои, — Произнес он.

— Лх, профессор, — устало возразил Bat«n, пустос Природа гармонична, парадоксы вносим в нее мы сами».

В Григорьев, «А МО! бы и быть »

И'

I стория гидродинамики, если так можно выразиться, усеяна парадоксами — несомненными противоречиями между опытными данными и предсказаниями теории. Это обилие даже породило не лишенную ядовитости мысль о том, что в XIX веке «гидродинамики разделялись на инженеров-гидравликов, Которые наблюдали то, чего нельзя было объяснить, и математиков, которые объясняли то, чего нельзя было наблюдать».

Причина столь разительного несоответствия была ясна давно. Ведь теоретики оперировали в своих построениях жидкостью без трения, то есть без вязкости. Непонятно было другое. Воздух и вода обладают малой вязкостью, и силы трения в них невелики по сравнению с силами тяжести и давления. Каким же образом эти малые силы, которыми даже пренебрегали в классической гидродинамике, обусловливают столь большие сопротивления?

Объяснение парадоксу дал в 1904 году немецкий гидромеханик Л. Прандтль. Он доказал, что движущееся в жидкости тело как бы обволакивается тонкой оболочкой — пограничным слоем. У самой стенки частицы прилипают благодаря вязкости жидкости, и скорость их относительно тела равна нулю. На поверхности же пограничного слоя скорость частиц равна скорости обтекания. В тонком пограничном слое силы трения сравнимы с силами инерции и давления, а вне его они становятся пренебрежимо малыми.

Что же происходит в простейшем случае, при обтекании пластинки в продольном направлении?

Благодаря торможению пограничный слой вниз по течению становится все толще и толще. Заторможенная жидкость оттесняет внешний поток от пластинки, и, наконец, наступает момент, когда пограничный слой отрывается от тела. Такой отрыв приводит к образованию мощных вихрей и резкому искажению картины распределения давлений вокруг тела. Сопротивление сразу же превышает все расчетные значения. Так небольшое само по себе трение оказывается своеобразным спусковым механизмом, который вызывает появление вихрей и увеличение сопротивления.

Теория пограничного слоя показала, что на величину сопротивления решающую роль оказывают процессы, происходящие позади движущегося тела, и что форма кормовой части имеет огромное значение. Кроме того, эта теория показала, что сопротивление трения и сопротивление давления тесно связаны и полное сопротивление нельзя разделить на независимые одно от другого сопротивления поверхности и формы, как это делали раньше.

Еще в 80-х годах прошлого столетия английский физик О. Рейнольде установил, что существуют два типа течения вязких жидкостей — ламинарное и турбулентное. При ламинарном— слоистом — течении струи жидкости движутся параллельно, не перемешиваясь. При турбулентном же струи в своем движении вперед хаотически перемешиваются в поперечном направлении. При малых скоростях течение ламинарное, но при большой скорости оно переходит в турбулентное. J1. Прандтль убедился, что течение в пограничном слое тоже может быть ламинарным и турбулентным, причем сопротивление движущегося в жидкости тела зависит от точки, в которой ламинарный слой переходит в турбулентный.

Зависимость эта оказалась очень сложной. Дело в том, что при ламинарном пограничном слое сопротивление трения оказывается минимальным. Но эксперименты показали, что ламинарный пограничный слой склонен к отрыву, а это приводит к резкому скачку сопротивления давления. Поэтому для его уменьшения выгодно турбулизировать пограничный слой. Но его выгодно сохранять ламинарным для снижения сопротивления трения.

Эта, казалось бы, неутешительная зависимость тем не менее позволяет инженерам добиться довольно неожиданных результатов.

Форма корпуса подводных лодок времен второй мировой войны была неплохо приспособлена для плавания на поверхности, где скорость их хода была больше, чем под водой.

вообще не испытывает волнового сопротивления. Но чтобы лодка двигалась с высокой скоростью, на ней нужно устанавливать тяжелую атомную установку, не нуждающуюся в атмосферном воздухе.

Несколько меньший выигрыш дает полупогруженное судно. Весь корпус его находится под водой, а на поверхность выходит лишь обтекаемая рубка — по ней засасывается воздух И выбрасываются выхлопные газы.

Интересно, что в данном случае уход на глубину эквивалентен выскакиванию из воды. Глиссеры, суда на воздушных подушках и подводных крыльях могут служить хорошим тому подтверждением. Но, несмотря на все достоинства этих спринтеров, водоизмещающие суда никогда не утратят своего значения. Поэтому необходимо разрабатывать методы если не полного устранения, то по крайней мере снижения волнового сопротивления. Один из таких методов — катамараны —■ хорошо известен читателю. Но существует еще несколько возможностей.

Расчеты показывают, что волновое сопротивление можно сохранить неизменным, если, увеличив скорость, увеличить и длину судна. Именно поэтому самые быстроходные боевые корабли обладают рекордно малым отношением водоизмещения к длине.

Другой метод —■ разработка такой формы корпуса, которая создавала бы взаимопогашающие системы волн. Давно было замечено: если корма попадает на один из гребней носовой системы волн, то волновое сопротивление снижается. Это наблюдение натолкнуло гидродинамиков на мысль о «бульбовой насадке». В подводной части, немного выдвигаясь вперед, установлен обтекатель. Во время движения он генерирует вблизи поверхности свою систему волн, которая, накладываясь на волновую систему корабля, приводит к ее частичному погашению.

Волновое сопротивление у надводных судов хотя и основное, но не единственное препятствие к достижению высоких скоростей. Поэтому даже у подводной Лодки, движущейся на большой глубине, где не возникает волн, немалое сопротивление, обусловленное, правда, другими причинами.

Атомные лодки могут сколь угодно долго находиться в подводном положении. Поэто-му форма их корпуса идеально соответствует условиям подводного плавания. Зато взгляните, каи плохо обтекается идущая на поверхности атомная лодка по сравнению с обычной.