Техника - молодёжи 1980-09, страница 65

противления. Лишь в длинной цепи последующих гидроаэродинамических исследований постепенно подобрались экспериментальные данные для решения задачи, заинтересовавшей юного гения.

Данные, которых недоставало Ньютону. Какие же силы могли действовать на мальчика во время его прыжков? Если дело происходило при сильном шторме, скажем, в 10 баллов, то скорость ветра по шкале Бофорта могла достигать 23 м/с, или 84 км/ч. Принимая высоту, на которую мог подпрыгнуть Исаак, равной 1,5 м, нетрудно вычислить максимальную скорость его прыжка — она составляла примерно 5 м/с. В таком случае скорость обтекания тела воздушным потоком при полете против ветра была 28 м/с, а при полете по ветру — 18 м/с.

Поскольку контур человеческого тела довольно сложен, в аэродинамике принято измерять так называемую площадь сопротивления, равную Cd • S и выражаемую в м² (р и с. 2). Для прыгающего человека среднего веса и роста (75 кг и 180 см) она составляет 0,56 м². Подставив эти цифры в формулу, получим, что при прыжке против вет^а на Ньютона действовала сила примерно в 27 кг, а при прыжке по ветру — 11 кг. Разница, как видим, немалая...

Арсенал воздушного акробата. Выпрыгнув с вертолета, спортсмен до раскрытия парашюта может в довольно широких пределах регулировать скорость падения, по-разному ориентируя свое тело в пространстве (р и с. 1). Так, падая плашмя в положении «руки по швам», акробат поддерживает площадь сопротивления равной 0,84 м². Повернувшись на бок, он сокращает ее почти вдвое — до 0,47 м ². Сжавшись в комок и обхватив колени руками, он еще вдвое снижает площадь сопротивления — до 0,18—0,26 м², а летя «солдатиком» или «ласточкой», доводит сопротивление до 0,11 м² При одежде, плотно прилегающей к телу, все величины уменьшаются на 5—10%.

По этим данным легко вычислить скорости, достигаемые акробатом в свободном падении: при полете плашмя — 38 м/с, на боку — 50 м/с, в комке — 66—80 м/с, «солдатиком» или «ласточкой» — 105 м/с. Чтобы создать уникальный аттракцион — парение в мощном восходящем воздушном потоке, — надо получить именно такие «останавливающие» скорости. Достигая их в соответствующем положении, спортсмен сможет висеть в пространстве неподвижно.

Беспорядочно падающий манекен имеет площадь сопротивления, рав

ную примерно 0,47 м². Заметим для сравнения, что у типичного истребителя второй мировой войны эта величина составляла около 0,56 м ².

Парашютный и флажный парадоксы. Как правило, конструкторам приходится стремиться к снижению аэродинамического сопротивления. И едва ли не единственное исключение — расчет парашюта, когда надо достичь, напротив, максимального значения этой величины. Коэффициент сопротивления купола, раскрытого навстречу потоку, что-то около 1,35. Отсюда нетрудно вычислить диаметр парашюта, способного замедлить падение до безопасной скорости — 4 м/с. Этот диаметр равен 8—8,5 м.

Коэффициент сопротивления плоского диска иной — всего-навсего 0,93. Но если подвесить диск к парашютному куполу (р и с. ЗБ) так, что купол попадает в вихревой след, образующийся за диском, то коэффициент их суммарного сопротивления составит только 1,06! Оказывается, в аэродинамике результат сложения двух величин далеко не всегда равен сумме слагаемых. Так что при расчете парашюта надо обращать внимание как на форму и размер купола, так и на форму и размер спускаемого груза, а главное, на расстояние между ним и куполом.

Парашют — не единственная гибкая поверхность, интересующая аэродинамиков. Другая такая поверхность — флаг (р и с. ЗА). Продувками установлено, что на сопротивление его потоку влияет отношение длины полотнища к высоте, а также вес ткани. Для квадратного полотнища из ткани весом 0,1 кг/м² коэффициент сопротивления, отнесенный к площади флага, равен 0,1. При 10-балльном шторме на флаг размером метр на метр действует сила в 3,2 кг. А у жесткой тонкой пластины той же величины при таком же ветре сопротивление в десять раз меньше — всего 320 г! В этом и состоит флажный парадокс.

Почему журавли летят клином?

Потому, что каждый из них интуитивно стремится воспользоваться восходящим воздушным потоком. А создает его тот, кто летит впереди. Действительно, вихрь, сбегающий с крыла птицы или самолета и служащий источником так называемого индуктивного сопротивления, сообщает части воздуха движение, направленное вниз и вверх. Идя за вожаком в зоне, где вихрь направлен вверх, журавль испытывает меньшее индуктивное сопротивление и ему легче лететь. То же самое справедливо и для аэропланов, летящих в определенном строю.

На 3-й странице обложки показа

ны три варианта построения трех самолетов (рис. 4 А, Б, В). Во всех случаях суммарное снижение сопротивления одинаково — 14%, но более всего (на 37%) снижено оно у самолета, летящего чуть сзади двух других. Вот почему военным летчикам иногда удавалось приводить поврежденную в воздушной схватке машину своего боевого товарища, буквально поддерживая ее под крылья...

Прокачу с ветерком! Бели в авиации с самого ее зарождения конструкторы стремились максимально снизить аэродинамическое сопротивление (р и с. 5А, Б), то для проектировщиков наземного транспорта этот вопрос долгое время не стоял со всей остротой. И вот что удивительно : площадь сопротивления мотоцикла с водителем, сидящим прямо, оказалась почти такой же, как у гораздо более крупного по размерам истребителя времен второй мировой войны.

Продувки моделей показали, как постепенно улучшались с точки зрения аэродинамики автомобильные кузова. В 1920-х годах коэффициент их сопротивления был около 0,95, а к 1950 году он снизился до 0,45—0,50. Варьируя различные формы, нашли, что в принципе его можно уменьшить до 0,12. И, совсем не ожидая того, зарегистрировали у автомобилей весьма ощутимую подъемную силу.

Коэффициенты сопротивления у электровозов, как выяснилось, колеблются в пределах 0,47—0,79, у паровозов — в пределах 0,38— 0,98, но теоретически могут быть доведены до 0,08.

Легко ли устоять небоскребу? Аэродинамические силы действуют не только на движущиеся тела, но и на неподвижные объекты, если на них набегает воздушный поток. Систематические испытания стоящих на плоскости геометрических форм — кубов, цилиндров, призм, пирамид и конусов — показали, что коэффициент сопротивления больше всего у квадратной призмы, стоящей гранью поперек потока (1,5), и наименьший — у конуса (0,73).

Это достаточно большие величины. Например, сооруженная на одной из всемирных выставок трехгранная пирамида «Трилон» высотой 205 м, имея коэффициент сопрот тивления 0,88—1,43, при ураганном ветре испытывала изгибающее усилие в 450 т. Тот же коэффициент для знаменитого нью-йоркского небоскреба «Эмпайр Стейт Билдинг» оказался еще больше — 1,5 (р и с. 6Б). Считая эффективную площадь поперечного сечения здания равной 9000 м², найдем, что при порывах ветра в 160 км/ч сила, действующая на небоскреб, достигала 2 тыс. т!

63