Техника - молодёжи 1967-12, страница 43

АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ

ПОЭМА,

ИЛИ

МЯЧ В ВОЗДУХЕ

Г. СМИРНОВ, инженер

Если бы ученым предложили поставить памятник в честь геометрического тела, наиболее важного для развития науки, им следовало бы выбрать шар — самое простое и самое удивительное из всех геометрических тел. Благодаря необыкновенным свойствам шара автоматически принимают сферическую форму капельки тумана в воздухе, пузырьки газа в воде, планеты и звезды в космосе Шар — наивыгоднейшая форма для активной зоны реактора, резервуара для хранения газов и жидкостей, для глубоководного и космического аппарата.

Однако для ученых важнее всего то, что шар симметричен относительно любой оси и плоскости, проходящей через его центр, что он, если так можно выразиться, — «раздутая точка». Именно поэтому многие уравнения, головоломные для других фигур, для шара получаются очень простыми. Например, закон всемирного тяготения проще всего выглядит тогда, когда притягивающиеся тела — сферы. Соударение двух шаров — простейший частный случай в теории удара. А первое, с чем мы сталкиваемся в электростатике, — это; «Возьмем два электрически заряженных шарика...»

Но нет, видимо, правил без исключения. Движение шара, будучи простейшим частным случаем в механике И электростатике, оказалось едва ли не самым сложным вопросом в аэродинамике. Вот почему лишь сравнительно недавно удалось объяснить парадоксы, возникающие при полете всякого рода мячей — футбольных, теннисных, крикетных,

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОФЕССОРА МАГНУСА

Несколько лет назад в спортивных газетах и журналах немало писали о коварности футбольного удара «сухой лист». При этом ударе нападающий пробивает мяч, скажем, в верхний левый угол ворот. Вратарь угадывает движение нападающего, делает бросок, но... происходит непостижимая на первый взгляд вещь: мяч в воздухе начинает лететь по кривой и оказывается под штангой ворот прямо в центре, как раз там, где нет вратаря.

Хотя некоторым любителям футбола «сухой лист» показался новинкой, для специалистов-аэродинамиков в нем не было ничего особенно неожиданного, ибо секрет таких «резаных» мячей в теннисе был раскрыт английским физиком лордом Рэлеем еще в 1877 году. Впрочем, Рэлей не был здесь первым. Он объяснил полет теннисного мяча, опираясь на идею, высказанную за 25 лет до него Магнусом...

Профессор Берлинского университета Густав Магнус был одновременно и консультантом артиллерийской академии, и поэтому именно к нему в 1852 году обратились артиллеристы за объяснением проблемы, неизменно ставившей их в тупик. Пушечные ядра даже в безветренную погоду имели иногда странное обыкновение отклоняться вправо или влево от вертикальной плоскости стрельбы, Магнус предположил, что причина столь странного поведения — вращение ядер.

Чтобы проверить свою догадку, он провел серию испытаний с вращающим

ся в потоке бронзовым цилиндром. Выяснилось, что цилиндр действительно смещается поперек потока в ту сторону, где окружная скорость цилиндра и скорость потока совпадают, то есть на вращающийся цилиндр действует поперечная сила. Объяснив качественно явление, Магнус не сумел измерить эту силу, не сумел вывести формулу для ее вычисления.

Зато он дал артиллеристам весьма ценные рекомендации, а спустя несколько лет сделал изобретение, которое позволило гладкоствольным орудиям конкурировать с появляющимися нарезными еще в течение нескольких лет.

Магнус понял, что поперечная сила возникает только тогда, когда ядро вращается. Но как оно приобретает это вращение, если ствол пушки гладкий?

Очевидно, только одна причина может вызвать вращение: несовпадение центра тяжести ядра с его геометрическим центром. Если при закладке в ствол центр тяжести оказывается справа от центра ядра, оно при выстреле вылетает, вращаясь слева направо в горизонтальной плоскости и, следовательно, отклоняется вправо. Если же центр тяжести оказывается слева, ядро вращается в обратную сторону и отклоняется влево.

А если закладывать ядро в ствол так, чтобы центр тяжести был выше центра ядра? Тогда при выстреле оно будет вращаться в вертикальной плоскости против часовой стрелки, возникающая сила будет действовать вверх, поддерживая ядро в воздухе и увеличивая дальность стрельбы.

Магнус предложил делать эксцентрические гранаты, в которых центр внутренней полости не совпадал с центром ядра. Чтобы артиллерист мог сразу узнать, как закладывать такую гранату в ствол, она после снаряжения опускалась в ртуть. Здесь ее «легкий полюс» всплывал кверху, и его покрывали краской. Испытания эксцентрических гранат

I. ДВИЖЕНИЕ ШАРА В ИДЕАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ:

а — шар не вращается — нет взаимодействия между шаром и жидкостью, сопротивление равно нулю; 6 — шар вращается — сопротивление равно нулю, но возникает поперечная подъемная сила, направленная в ту сторону, где совпадают направление потока и окружная скорость.

II. ДВИЖЕНИЕ ШАРА В РЕАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ:

а — скорость докритическая — отрыв потока происходит в передней части сферы. Ширина вихревой зоны больше диаметра шара. Избыток давления перед шаром и разрежения за ним — основная причина большого сопротивления. Поток симметричен, поэтому поперечных сил не возникает; б — скорость сверх-критическая — отрыв потока происходит в кормовой оконечности шара. Вихревая зона — уже, чем при докритической скорости, сопротивление меньше; в — скорость докритическая — шаре турбулизатором — проволочное кольцо турбулизирует пограничный слой, и он отрывается в кормовой оконечности. Итог — малое сопротивление при докритической скорости.

III. ПОЛЕТ ШАРОВ И МЯЧЕЙ:

а — теннисный «резаный» мяч — вращение мяча искажает симметрию, и возникает поперечная сила;

б—шар для гольфа — ямочки на поверхности служат турбулизаторами, критическая скорость понижается, дальность полета возрастает;

в — крикетный шар — вид сверху. Скорость донритическвя, но шов искажает симметрию. Стежни шва в передней части турбуяизируют пограничный слой, и точки отрыва смещаются с этой стороны на нормовую оконечность. Появляется поперечная сила.

ОПЫТ ПРАНДТЛЯ. На фото вверху — обдувание шара воздухом при до-критичесной скорости: внизу — скорость докритическая, но на шар надето кольцо, турбулизирующее пограничный слой. Видно, как при этом резко уменьшается вихревая зона.

37