Техника - молодёжи 1967-12, страница 44

Магнуса показали неплохие результаты: при угле возвышения 2,5° граната, уложенная в ствол «легким полюсом» кверху, летела на 1300 шагов, а «легким полюсом» книзу — всего на 500. Их кучность в любом случае получалась больше, чем у обычных концентрических гранат. При дальностях стрельбы до 1,5 км такие ядра показывали результаты лучшие, чем нарезные орудия.

Этой скорее инженерной, чем научной, идеей Магнус завершил свои исследования. Лишь через 50 лет Н. Жуковский доказал, что поперечная сила Магнуса сродни подъемной силе крыла и что вращающийся в полете мяч — футбольный, бейсбольный или теннисный — по сути дела, мало чем отличается от самолетного крыла.

ТРОПОЮ ПАРАДОКСОВ

Поперечная подъемная сила, hckdhb-ляющая полет мяча, возникает только тогда, когда он вращается. Вторая сила — сила лобового сопротивления — действует на летящий мяч всегда. Тем более обескураживающей оказалась первая попытка французского энциклопедиста Даламбера вычислить лобовое сопротивление шара, движущегося в идеальной жидкости...

Оно оказалось равным нулю. Шар пронизывает идеальную жидкость, как пустоту, он летит так, словно ее вовсе не существует. Это неожиданное противоречие — парадокс Даламбера — свидетельство того, что идеальная жидкость, дающая возможность понять возникновение подъемных сил, непригодна, когда речь заходит о лобовом сопротивлении. Для практиков остался один выход — обратиться к эксперименту.

Вот почему спор о том, какими должны быть мячи для гольфа, тоже пришлось решать чисто опытным путем. Одни предлагали гладкие мячи, которые якобы летят прямее и дальше. Другие отстаивали мячи с ямочками, которые при ударе по ним клюшкой не получают бокового скольжения.

Спор решила машина, которая ударяла по мячам с постоянной силой. Первые шесть мячей с ямочками вылетели из машины и, пролетев 230 м, опустились на землю. Когда же начались испытания гладких мячей, удивлению зрителей не было предела. Пролетев первый десяток метров почти так же, как мячи с ямочками, гладкие мячи вдруг резко затормаживались, пикировали и, упав в 30 м от машины, еще метров 20 катились по земле. Не удивительно, что предпочтение было отдано мячам с ямочками, хотя тогда никто не мог объяснить, в чем тут дело. Выяснилось это значительно позднее, после того, как германский профессор Л. Прандтль объяснил парадокс Эйфеля.

На склоне лет знаменитый строитель парижской башни занялся аэродинамикой. Постепенно повышая скорость потока, обдувающего шар, он обнаружил, что при некоторой критической скорости сопротивление шара резко, скачком уменьшается в 4—5 раз.

Спустя два года, в 1914 году, геттин-генский аэродинамик Прандтль объяснил причины этого странного явления. Поместив в аэродинамическую трубу шар, он начал обдувать его потоком воздуха, в который введены были струй

ки дыма. Пока движение очень медленное, пограничный слой, примыкающий к поверхности шара, плавно огибает его и почти смыкается за ним. Только тоненькая струйка завихрений вьется за кормовой оконечностью. По мере увеличения скорости пограничный слой отрывается все раньше, а за шаром образуется зона мощных завихрений. По мере увеличения этой зоны сопротивление растет, достигая максимума тогда, когда пограничный слой отрывается немного раньше миделевого сечения шара. А вот потом происходит удивительная вещь.

При дальнейшем увеличении скорости пограничный слой перестает быть тонкой воздушной пленкой, окутывающей лобовую поверхность шара. Он начинает пульсировать, становится турбулентным. И это приводит к тому, что точки отрыва потока смещаются назад, в кормовую оконечность шара, зона завихрений сжимается, и сопротивление скачком уменьшается до '/б—¹А первоначального значения. Скорость, при которой это происходит, и есть критическая скорость.

Чем меньше критическая скорость, тем Щучше. Ведь тем легче заставить мяч большую часть пути пролетать в сверхкритическом режиме при малом сопротивлении. Но как снизить критическую скорость?

Прандтль решил выяснить, нельзя ли, искусственно турбулизируя пограничный слой, получить снижение сопротивления при скоростях, меньших критической. Надев на шар тонкое проволочное кольцо, он убедился в том, что при докритических скоростях сопротивление такого шара гораздо меньше, чем у гладкого.

Теперь нетрудно понять разницу в поведении гольфовых мячей. Неглубокие ямочки на поверхности мяча — те же турбулизаторы. Критическая скорость для такого мяча очень невелика, поэтому на большей части своего полета он испытывает сопротивление гораздо меньшее, чем гладкий мяч.

У этого дело обстоит иначе. Выброшенный из машины с большой скоростью, превышающей его критическую, он первые десять метров летит, как и мяч с ямочками. Но вот достигнута критическая скорость — сопротивление резко возрастает, мяч тормозится и, не пролетев и 40 м, падает на землю.

Итак, шероховатый мяч с волнистой поверхностью летит дальше и быстрее, чем идеально гладкий, идеально отполированный мяч, — не правда ли, парадоксальный результат, который трудно предвидеть заранее! Но еще труднее предсказать и объяснить замысловатые движения, совершаемые иногда в полете мячом для крикета.

МЯЧ С ХАРАКТЕРОМ

ШРрикет — разновидность лапты. Мяч ■■для крикета весит около 150 г и состоит из двух кожаных полусфер, туго набитых пробковой крошкой и сшитых посередине шестью рядами стежков. Общая ширина шва — 20 мм, и это единственная неровность на гладкой блестящей поверхности нового мяча. Вот этот-то мяч и обладает удивительно прихотливым нравом.

Начнем с того, что он иногда ведет себя как положено: летит строго по

баллистической траектории без всяких отклонений. Но иногда бывает так, что, посланный в руки игрока, он вдруг вздумает взять левее или правее. А то случается и вовсе удивительная вещь: начав движение по баллистической траектории, крикетный мяч словно передумает и на полпути либо замедлит движение, либо и вовсе повернет в сторону.

Он даже как будто бывает иногда в хорошем настроении — и тогда ведет себя так, как ему велят, а иногда в плохом — и тогда становится неуправляемым. Правда, с возрастом характер крикетного мяча улучшается и он совсем перестает своевольничать.

Первое, что приходит в голову, —-связать столь причудливое поведение крикетного мяча с его вращением в полете. Но, оказывается, главный виновник этих эволюций — шов. Если он располагается точно поперек или вдоль направления полета, картина обтекания мяча строго симметрична, и никаких отклонений не возникает. Но если шов находится под углом к направлению полета, он при скорости движения, меньшей критической, оказывается отличным турбулизатором пограничного слоя. Тур-булизированные швом части пограничного слоя загибаются в кормовую оконечность мяча, симметрия нарушается, и появляются отклоняющие силы.

Если же крикетному мячу сообщают скорость больше критической, шов перестает играть роль турбулизатора и мяч летит по баллистической траектории без всяких отклонений. Но вот его скорость понизилась и достигла критической. Теперь все зависит от ориентации шва относительно направления полета. Когда он расположен строго вдоль или поперек, мяч просто резко тормозится, но продолжает лететь в прежнем направлении. Когда шов расположен под углом к направлению полета, мяч начинает отклоняться вправо или влево с середины пути.

Замечено, что критическая скорость крикетного мяча сильно зависит от состояния воздуха. Малейшая турбулентность в атмосфере снижает критическую скорость, и поэтому результаты здесь трудно воспроизводимы. Мячи, много раз бывшие в игре, утрачивают гладкую поверхность. Она становится грубой, шероховатой, на ней появляются вмятины и бугры, швы сминаются. Постепенно крикетный мяч становится похожим на мяч для гольфа. И тогда все его «своеволие» пропадает: ориентировка шва перестает играть какую-либо роль. Только одно обстоятельство управляет теперь его движением — начальная скорость, которая может быть либо больше, либо меньше критической.

Не так уж проста механика полета мячей, этих подобий самого простого геометрического тела. Больше того, по-настоящему сложны и во многом до сих пор непонятны некоторые парадоксы, связанные с движением шаров. Кто сомневается в этом, пусть поломает голову еще над одним парадоксом — «Парадоксом эффекта Магнуса», который ставит под сомнение многое из того, о чем говорилось выше: «При малых скоростях вращения направление отклонения в действительности противоположно тому, которое наблюдалось Магнусом».

38