Вступление
Здравствуйте, мои дорогие читатели, думаю если канал в первую очередь об авиации, то сама собой встает цель разобраться, а как же поднимается в воздух самолет, за счет чего держится на воздухе и не падает? Поняв это, многое встанет на свои места, и дальше мы сможем двигаться увереннее, встречая на пути сложные вещи, будем опираться на знания полученные в этой статье. Этот вопрос будет разделен на две части, и не скрою от Вас, что первая конечно немножко по-скучнее, однако уверяю Вас, без нее к сожалению ну никак не получится продолжить путь. В первой части мы разберем самые основные необходимые для понимания физики процессов характеристики воздуха, а также основные уравнения движения воздуха. Готовы? Тогда начнем!
Основные характеристики воздуха
Чем же можно охарактеризовать воздух? Какие его параметры замерить? Основными являются:
- Температура T
- Давление P
- Плотность ρ ("ро")
- Сжимаемость
- Вязкость
Температура воздуха
- Температура воздуха показывает нам интенсивность движения молекул (она пропорциональна средней скорости движения всех молекул). Таким образом чем выше температура (горячее воздух), тем быстрее в нем движутся молекулы и наоборот.
- Температура определяет термодинамическое равновесие воздуха (другими словами если температура различных объемов воздуха неодинакова, то между ними будет продолжаться теплообмен, пока не наступит равновесие).
Давление воздуха
Представим что некоторое тело воздействует на поверхность площадью S с силой F. Так вот давление это величина, показывающая как распределена эта сила по поверхности. Воздух имеет вес, а значит давит на поверхность земли, силу с которой воздух давит на земную поверхность называют атмосферным давлением.
P=F/S
Плотность воздуха
Плотность воздуха подразделяется на:
- Массовую - это то как сильно воздух сжат в некотором объеме, другими словами отношение массы воздуха, заключенного в единице объема.
ρ=m/V - Относительную - это то так сильно воздух сжат на некоторой высоте по отношению к величине сжатия воздуха у самой поверхности земли.
△=ρ/ρ0
Вязкость
Ее еще называют внутренним трением, это свойство, характеризующее сопротивление действию внешних сил, вызывающих их течение. Она определяется межмолекулярным взаимодействием, обуславливающим перенос энергии из одного слоя в другой. Именно поэтому при увеличении температуры воздуха (а значит и увеличении скорости движения молекул) вязкость также повышается.
Сжимаемость
Это способность воздуха изменять свой объем, а как следствие и плотность при изменении давлении и температуры.
Зависимость от высоты
Для простоты понимания и наглядности представим атмосферу Земли таким образом, как слоенный пирог:
Мы будем рассматривать тропосферу (так как, это практически применимо к авиации):
Температура
Как происходит прогрев воздуха? Солнце нагревает поверхность Земли, а от нее уже в свою очередь начинает прогреваться воздух у самой поверхности и так далее все выше и выше (теплообмен, еще не забыли?). И как вы понимаете, до верхних слоев тропосферы уже доходит совсем мало тепла. Таким образом температура у земли максимальна, и с высотой она понижается (примерно на 6,5 градусов за каждый километр), и на высоте 11 км (высота тропопаузы) оно равна примерно -56,5 градусов Цельсия, при том что у земли по стандартной атмосфере она равна +15 градусам Цельсия.
Плотность
Итак представим себе в голове, все тот же слоенный пирог, где самый первый слой очень плотный, ведь воздуху просто некуда деться сверху его буквально "прижимает" выше лежащий воздух, а по бокам уже и так места нет, плотность воздуха у самой поверхности максимальна. Но вот мы отдаляемся от поверхности (поднимаемся на гору например), и у воздуха появляется больше пространства по сторонам (увеличивается объем воздуха), его молекулы отдаляются друг от друга, плотность понижается.
Давление
Воздух имеет вес и давит на поверхность земли, именно поэтому у земли давление воздуха максимально, ведь весь вышележащий столб воздуха тоже давит на площадь поверхности земли, и чем дальше мы удаляемся от земли тем сильнее давление понижается и вот уже на высоте 11 км (высота тропопаузы) оно равно примерно 170 мм.рт.ст при том, что у земли по стандартной атмосфере оно составляет 760 мм.рт.ст.
Отлично с этим вопросом разобрались, надеюсь не устали. Попробуйте представить все это у себя в голове, перечитайте до этого места снова и снова пока не поймете. Лучше 10 минут потратить с пользой и разъяснить все моменты для себя, чем целый час читать информацию которую не понимаешь.
Основные уравнения движения воздуха
Уравнение Эйлера (уравнение неразрывности)
При установившемся движении в каждый промежуток времени массы воздуха, втекающего в некоторый объем струйки и вытекающего из него равны. При этом весь объем сплошной, то есть без разрывов заполненных воздухом.
А теперь по простому представим струйку воздуха, с некоторым сечением S1, а потом расширим ее до сечения S2. Скорость воздуха в первом сечении обозначим V1, а во втором соответственно V2. Получается что через первое сечение проходит воздух объемом S1*V1, а через второе S2*V2. Для нахождения массы воздуха проходящей через каждое сечение домножим на плотности в каждом сечении: m1=ρ1*S1*V1 и m2=ρ2*S2*V2.
Так вот оказывается массовый расход в любом месте сечения трубки в любой момент времени остается неизменным: m=const
m1=m2=ρ1*S1*V1=ρ2*S2*V2=const
Это и есть уравнение Эйлера (или неразрывности струйки), которое устанавливает взаимосвязь между сечением трубки и скоростью протекаемого по нему воздуха. То есть если где-то трубка сузилась, то там непременно возрастет скорость протекающего по ней потока и наоборот.
Для лучшего запоминания вот вам пример: сидите в комнате и окно открыто нараспашку, вы особо не замечаете как дует ветер однако Вам становится прохладно и Вы решаете прикрыть окно, оставив маленькую щель и каково Ваше удивление, что ветер с окна стал дуть в несколько раз сильнее. Но теперь то Вы знаете, что уменьшив площадь сечения, Вы увеличили и скорость воздуха.
P.S. При малых скоростях течения, когда сжимаемостью воздуха можно пренебречь, считают что плотность воздуха постоянна, поэтому уравнение упрощается до такого: m1=m2=S1*V1=S2*V2=const, что является уравнением Эйлера (или не разрывности) для несжимаемой жидкости (газа). Именно этим уравнением мы и будем пользоваться.
Уравнение Бернулли для несжимаемого газа
При установившемся движении несжимаемого газа сумма потенциальной и кинетической энергии объема массой m, есть величина постоянная в любом сечении одной и той же струйки.
Почему именно для несжимаемого? Да потому что, на дозвуковых скоростях (на каких и летают пассажирские авиалайнеры) сжимаемостью воздуха можно пренебречь, и плотность считать постоянной, что сильно упростит понимание и формулы.
А теперь по простому, чем применительно для движения воздуха является потенциальная и кинетическая энергия? Представим модельку самолета, она неподвижна (мы держим ее в руке), но на ее стенки уже воздействует воздух (давление воздуха в атмосфере еще не забыли?), он с какой-то постоянной силой давит на модельку как и на все другие тела, всегда. Это воздействие называется статическим давлением (статика - значит неподвижный). А затем мы берем и запускаем его вперед, придав ему некоторую скорость. И теперь уже помимо статического давления воздуха, на него будет действовать и динамическая составляющая, ведь теперь можно сказать воздух с какой-то силой "набегает" на самолетик. Эта составляющая называется динамическим давлением воздуха (динамика - значит движущийся).
Так вот что утверждает Бернулли: Eпот.+Eкин=const. А применительно к нашему движению: Pстат.+Pдин.=const. Теперь разберемся подробнее Pстат. это как мы уже сказали есть самое обычное давление воздуха в атмосфере, или атмосферное давление P. А вот динамическое давление это то с какой силой поток набегает на самолет и равно оно вот чему: Pдин.=(ρ*V^2)/2. В авиации для этой величины принят отдельный термин "скоростной напор". Но мы то с Вами теперь знаем, что это тоже самое что и динамическое давление воздуха.
Вернемся к уравнению Бернулли, теперь мы можем составить наконец-таки конечное уравнение: P+(ρ*V^2)/2=const.
Таким образом, это уравнение является очень схожим с уравнением Эйлера (который установил взаимосвязь между скоростью и сечением), только Бернулли установил взаимосвязь между скоростью и давлением. Получается что там, где скорость движения увеличивается (например, самолет добавляет мощности и летит быстрее), там обязательно уменьшится давление и наоборот.
Заключение
В заключении хочу сказать спасибо Вам за прочтение, я очень надеюсь на Вашу обратную связь, критику, пожелания и Ваши впечатления. Это будет для меня отличным стимулом стараться и писать новые статьи.
Эта часть была довольно сложной из-за наполненности формулами, терминами и определениями, однако это необходимо знать и помнить для нашего дальнейшего путешествия в мир авиации. Я с радостью отвечу на Ваши вопросы и в личных сообщениях, если Вам это будет необходимо. Познавайте и узнавайте авиацию, летайте на самолетах и наслаждайтесь впечатлениями, это всё ещё того стоит!
