|
Вниманию советского читателя предлагается перевод книги Карла Винклера «25 опытов по физике полета».
На простых опытах автор книги знакомит читателя с некоторыми вопросами учения о потоке и физике полета, необходимыми для умелого конструирования авиамоделей. Большинство приборов которые используются в опытах, можно изготовить самостоятельно или приобрести в магазинах учебно-наглядных пособий. Приведенные в книге расчеты не сложны и предполагают лишь знание математики в объеме средней школы.
Вместе с тем данное пособие своим содержанием и методикой изложения,- опирающейся иа эксперимент и опыт учащихся, представляет интерес для учителей физики и руководителей кружков авиамоделирования. Учителя найдут здесь и ряд полезных сведений, некоторый дополнительный материал по аэродинамике, нужный в учебной и внеклассной работе. Ряд опытов данного пособия может быть проведен на уроке как в форме демонстрационного, так и в форме лабораторного эксперимента. Большую пользу принесут и поставленные в конце каждого опыта вопросы и данные на них в конце книги ответы и замечания.
При переводе книги сохранены все ее особенности; в некоторых местах текст частично изменен и сокращен. Так, вместо единиц измерения силы «понд» и «килопонд», не принятых у нас, указаны «грамм» и «килограмм». Из авторского текста исключено несколько малоизвестных нашему читателю фамилий.
В конце книги указано некоторое оборудование по теме книги, которое можно приобрести в магазинах Главсиабспроса.
Титов В. В.
Опыт 1. Статическая подъемная сила
В 1783 году в Париже братьям Монгольфье удалось осуществить подъем экипажа на воздушном шаре, наполненном нагретым воздухом. Два человека из Парижа были первыми пассажирами. Сами братья Монгольфье не отважились лететь с ними.
В том же году французский физик Шарль впервые наполнил воздушный шар водородом. Этот аэростат также поднялся.
Чтобы понять, почему воздушный шар, наполненный газом, поднимается в воздух, мы должны знать закон Архимеда: «На тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх. Эта сила равна весу жидкости или газа, вытесненных телом».
Задание. Докажите наличие подъемной силы у полого тела, наполненного теплым воздухом.
Приборы. Чашечные весы, набор разновесок, деревянный брусок, бумажный фонарь, свеча (рис, 1).
Выполнение задания. Ставим чашечные весы на деревянный брусок, удаляем одну из двух чашек весов и на ее место подвешиваем бумажный фонарь («китайский фонарик») с отверстием. С помощью разновесок уравновешиваем весы. Затем ставим под отверстие бумажного фонаря горящую свечу.
Результаты опыта и выводы. Через несколько минут воздух внутри фонаря нагревается и равновесие весов нарушается. Фонарь («воздушный шар») поднимается вверх, так как вес нагретого воздуха меньше веса ненагретого воздуха того же объема. Подъемная сим, действующая на покоящееся тело, называется статической подъемной силой А. На тело действуют две силы: вес G и выталкивающая сила А, направленная вверх (рис. 2).
Мы различаем три случая: А меньше G — тело падает; А равно G — тело парит; А больше G — тело поднимается. Выталкивающая сила нашего фонаря не так велика, чтобы он мог летать. Однако, если мы построим воздушный шар, вес которого (включая оболочку воздушного шара, заключенный в нее газ, вспомогательное снаряжение и людей) будет меньше веса вытесненного воздуха, то есть, если выталкивающая сила будет больше веса шара, то воздушный шар поднимается вверх, он «летит». Подъемная сила в данном случае равна разности выталкивающей .силы и веса воздушного шара.
Аэростаты строятся из очень легкого воздухонепроницаемого аэростатного шелка и имеют форму близкую к шару. Наполняются воздушные шары легким газом — водородом.
Решим для примера следующую задачу.
(...)
Этой силой может быть поднят, например, груз из 3 человек, измерительных инструментов и многочисленных балластных мешков, наполненных песком.
В отличие от самолетов аэростаты не управляются, а гонятся в направлении ветра. Поэтому их нельзя использовать как средство сообщения, Очень удобны аэростаты для исследования стратосферы. В 1932 году швейцарский физик Пиккар1 на воздушном шаре особой формы (с герметически закрытой кабиной) достиг высоты почти 17000 л, а в 1933 году советский ученый Прокофьев2 —
19 000 л. Воздушный шар, как регистрирующий прибор, поднимается ныне на высоту около 36000 л. «Служба погоды применяет наполненные водородом аэростаты небольших размеров. Маленькие легкие радиопередатчики, которыми снабжены эти аэростаты, передают наземным станциям такие важные для предсказания погоды данные, как влажность и температура высоких слоев атмосферы. В последние сто лет строились также и управляемые воздушные шары — дирижабли. Развитие дирижаблестроения связано с именами Жиффарда1 (1852), Соковнина2 (1866), Цеппелина8 (1895) и Парсеваля (1907).
1 Жиффард Анри (1825 — 1882) — французский конструктор. В 1852 г. на дирижабле (в 2500 л3) собственной конструкции совершил первый полет.
2 Соковнин Н. М. — русский изобретатель в области воздухоплавания, вице-адмирал. В 1866 г. разработал проект управляемого аэростата (дирижабля). (Прим. перев.)
3 Цеппелин (1838 — 1917) — немецкий конструктор дирижаблей жесткой системы с металлическим каркасом, обтянутым тканью. (Прим. перев.)
4 Парсеваль — французский математик. (Прим. перев.)
6 ЛилиентальОтт о — немецкий инженер, один из пионеров авиации. Он первым доказал преимущество выпуклой поверхности перед плоской (в потоке).
На любое тело, погруженное в жидкость или газ, действует статическая подъемная сила. Последняя равна весу жидкостр или газа, вытесненных телом (закон Архимеда). Если подъемная сила больше веса тела, то тело поднимается вверх.
Упражнения.
1. Почему детский воздушный шар, наполненный водородом, поднимается, а надутый воздухом опускается?
2. Мыльные пузыри, наполненные воздухом, некоторое время поднимаются, потом опускаются на землю. Как объяснить это?
3. Какой груз дополнительно может нести наполненный водородом детский воздушный шар диаметром d = 20 см, если оболочка шара весит 2,07 Г, а нить, к которой привязан груз, — 0,1 Г? (1 ма водорода весит 0,09 Г).
Опыт 2. Однородный воздушный поток
Маленькие тела, летающие в воздухе, не имеют существенного значения для современного воздухоплавания. Самолет значительно тяжелее воздуха. Чем объясняется то, что он все же может летать? Летать — давнее желание людей. Все попытки подражать полету птиц при помощи самодельных крыльев не дали результатов, так как сил человека недостаточно для собственного подъема. И только после исследования движения воздушных потоков и подъемных сил были осуществлены первые полеты человека. Большое значение имели исследования Отто Лилиенталя5, который в 1891 году выполнил первый полет на своем планере (рис. 4).
В начале XX столетия условия полета тел тяжелее воздуха исследовали во многих странах. Экспериментальные работы очень облегчились, когда установили следующий очень важный закон: «Безразлично, движется ли тело через неподвижный воздух или покоящееся тело обтешется воздухом. Силы, действующие на тело, равны в обоих случаях».
Аэродинамические экспериментальные установки работают с неподвижными телами в движущемся потоке воздуха. В аэродинамических трубах создают равномерный поток воздуха и устанавливают в него тело.
Чтобы исследовать условия полета и проводить измерения, мы также воспользуемся подобным устройством. Мы применяем генератор воздушного потока (аэродинамическую трубу), прибор, в котором пропеллер, вращаемый электромотором, создает искусственный поток воздуха.
Задание. Исследуйте поток в аэродинамической трубе.
Приборы. Аэродинамическая труба, зонд с одной нитью, с несколькими нитями, электрошнур, штатив.
самолет был построен в 1882 г. Можайским А. Ф. В том же году на этом самолете в России был совершен первый в мире полет, с которого начинается Великая история Авиации. (Прим. перев.)
Выполнение задания.
а) Спереди аэродинамическая труба ограничена решеткой, на которую надето сопло. Решетку и сопло мы сначала снимаем. Затем подключаем аэродинамическую трубу к сети переменного тока напряжением 220 или 127 в (рис. 5).
На пути воздушного потока держим закрепленную на стержне шерстяную нитку (однонитяной зонд) и наблюдаем за ее движением.
б) Выключаем мотор, насаживаем сетку и прочно навинчиваем сопло. После включения мотора держим сначала
Рис. 5. Опытная установка для исследования вихревого потока воздуха.
однонитяной зонд на том же расстоянии от сопла, как прежде, а потом — многонитяной зонд в середине потока воздуха (рис. 6). Наблюдаем снова за движением шерстяных нитей и сравниваем опыты а к б.
Результаты опыта и выводы. В опыте а нитка зонда колеблется неспокойно. Воздушный поток приводит ее в винтообразное движение. Из этого мы заключаем, что воздушный поток имеет «нарезку», то есть обладает вращательным движением. Поток воздуха с винтообразным движением, однако, не пригоден для наших исследований и измерений. Он должен быть «разглажен» (выпрямлен). Это достигается установкой в сопле так называемого выпрямителя. Если, поместить однонитяной зонд в поток воздуха (опыт
б) после установки выпрямителя и сопла, то шерстяная нить устанавливается почти неподвижно в горизонтальном на-
правлении. Укрепленные друг около друга нити многонитяного зонда вытягиваются в одном направлении. Выпрямитель устранил нарезку и сделал воздушный поток однородным и прямолинейным. Все частицы однородного потока воздуха движутся с одинаковыми скоростями по параллельным путям. Все последующие опыты мы будем выполнять в однородном воздушном потоке.
Первые опыты в искусственно созданном однородном потоке воздуха выполнил французский инженер фон Эйфель (1832 — 1923, строитель Эйфелевой башни).
Для исследования поведения тел в движущемся воздухе применяют однородный воздушный поток. Воздушный поток однороден, если все его частицы движутся с одинаковыми скоростями по параллельным прямолинейным траекториям.
Упражнения.
1. Почему понижается скорость потока воздуха при увеличении расстояния от сопла аэродинамической трубы?
2. Почему мы должны устанавливать обтекаемое тело всегда на одинаковом расстоянии от сопла при выполнении сравнительных измерений в искусственном воздушном потоке?
3. Имеет ли движущийся в свободном пространстве воздух (ветер) однородный поток?
Опыт 3. Линии тока
При малых скоростях и при условии, что газы также несжимаемы, как и жидкости, законы для движущихся газов приблизительно совпадают с законами для движущихся жидкостей. Основываясь на этом, мы можем проводить наши опыты не в потоке воздуха, а, например, в потоке воды.
Поэтому в дальнейшем мы не будем делать особых ссылок на это обстоятельство.
Создадим однородный (гомогенный) поток воды «гидродинамической трубой» (рис. 7).
Задание. Пронаблюдайте за движением частиц воды в гидродинамической трубе сначала в равномерно расширенном, а затем в суженном канале.
Приборы. Небольшая гидродинамическая труба, дубовые стружки, два профильных тела для сужения канала.
Выполнение задания. Наполним гидродинамическую трубу до самого края водой. Чтобы следить за ходом потока, внесем в воду небольшое количество мелких дубовых стружек. Для создания потока воды труба снабжена пульверизатором («груша»). Зажмем выведенную наружу трубку зажимом и накачаем нижним резиновым мячом верхний мяч. Если немного ослабить зажим трубки, то воздух, накопленный в верхнем резиновом мяче, равномерно потечет в гидродинамическую трубу и приведет воду & движение. В «окно» трубы видно, как вода течет сверху вниз. Такой, заключенный в трубку поток называют замкнутым потоком в противоположность свободному потоку, посылаемому, напрймер, аэродинамической трубой.
Движение воды мы отмечаем по плывущим в воде дубовым стружкам. Зажим трубки дает нам возможность изменять скорость текущей воды. Мы то позволяем воде течь через канал беспрепятственно, то сужаем канал в середине
Рис. 7. Гидродинамическая труба показывает иам движение частичек воды.
окна, вставляя сверху, справа и слева от края стеклянного окна два профильных тела с помощью длинных проволочных держателей. Поперечный разрез трубы похож тогда на сопло. Опишите и зарисуйте путь дубовых стружек.
Результаты опыта и выводы. Путь частичек жидкости называют линиями тока. Мы наблюдали неизменный вид линий тока (рис. 8), так как каждая последующая частичка жидкости бежит по тому же пути, что и предыдущая.
Если поток проходит через суженный канал, то линии тока в узком месте сжимаются (рис. 9). Если форма линий тока остается неизменной, то поток называют стационарным. В дальнейшем мы будем пользоваться только стационарными потоками.
Путь частичек потока называют линиями тока. Линии тока стационарного потока не изменяют своей формы с течением времени.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
