|
ОТ АВТОРА.
Выпуская настоящую книжку, я хотел притти на помощь молодым друзьям воздушного флота, под которыми я разумел пионеров старшего возраста и комсомольцев.
Постройка модели не только знакомит с идеей самолета, но еще в большей мере способствует развитию наблюдательности, находчивости, сообразительности.
Зная чтб обычно волнует молодую аудиторию при беседах о воздушном флоте, я весь материал расположил так, как он обычно легче всего усваивается.
Вслед за небольшим по обему теоретическим изложением вопроса следует практическое разрешение его. Поэтому разделение всей книжки на две часть — теоретическую и практическую — мною было отброшено, как совершенно неприемлемая форма изложения для подобной книги.
При разборе всякого вопроса мною было обращено особое внимание на освещение задетого вопроса до конца, напоминая иной раз читателю то, что некоторым, пожалуй, покажется излишним и давно известным.
Но из личной практики, а также и из практики всей секции военно-научного общества по работе среди комсомола, рабочей молодежи и пионеров, я убедился, что далека не все на первый взгляд простые вещи понятны читателю.
Поэтому приходилось, в целях большей ясности, при изложении какого либо явления в целом поступаться строгостью изложения деталей.
Е. П. Шекунов.
1 февраля 1926 года, г. Москва.
Пионерский кружок авиаспорта.
Сведения, необходимые для руководителя.
Кто из пионеров равнодушно относится к вопросам воздушного флота, кого из них не интересуют причины, благодаря которым летают дирижабли, шары, самолеты?
Многие из ребя г мечтают полететь на самолете, воочию убедиться, что машина может летать.
Авиаспорт как раз и преследует эти две задачи. С одной стороны, он приближает самолет к массе трудящихся, а с другой — этим самым приближением несет в массы авиазнание.
Было бы крайне невыгодно для государственного кармана самолеты, находящиеся в красном воздушном флоте, как в военном, так и в гражданском, бросить на дело авиапропаганды, и гораздо экономнее и лучше будет, если самодеятельностью самих трудящихся авиазнания пойдут в гущу рабочих и крестьян, во много раз усиливая этим оборону Союза.
В чем же выражается эта самодеятельность?
Конечно, не собиранием членских взносов Авиахима, не постановкой спектаклей и вечеров в пользу Воздушного Флота: этим авиазнаний не дашь. Этим можно сделать большую нужную работу — увеличить мощь воздушного флота.
Ликвидация же авиабезграмотности — это дело авиаспорта.
Взрослому рабочему по-плечу попробовать полетать на учебном планере (машина, построенная, как самолет, но не имеющая мотора. Дальше о ней мы поговорим подробнее). Ему по-плечу построить в рабочем кружке авиамотоциклетку — маленький самолет со слабым мотором мотоциклетного типа. Он уже достаточно физически сложился, и наверняка, прежде, чем занчться авиаспортом и строить планеры, уже занимался постройкой змеев и моделей самолетов.
Молодым же друзьям воздушного флота и всем, кто впервые начинает заниматься авиаспортом, необходимо сперва поучиться теории и практике полета на летающих моделях.
Учитывая всю важность авиаспорта, Авиахим ставит одной из своих задач — содействие развитию всех видов авиаспорта среди трудящихся нашего Союза.
Самым простым, доступным, да, пожалуй, и показательным является так называемый массовый авиаспорт.
Массовый авиаспорт ставит себе задачу — познакомить широкие слои трудящихся с основами авиации и воздухоплавания на моделях (т. е. уменьшенных машинах) самолетов, дирижаблей и т. п.
Модель понятнее любой самой понятной книги. Модель понятна и китайцу, и русскому, и англичанину. Эта интернациональность модели, как показательного средства обучения, делает ее необходимой принадлежностью всякого учебного кабинета, лаборатории, завода, музея.
Итак, модель — это, в первую голову, научный прибор. Правда, удовольствие, которое испытывают юные авиаторы, пуская свои модели и случайные зрители полетов моделей, говорит нам, что, пожалуй, постройка моделей также и весьма интересное развлечение. Во всяком случае, это развлечение — с большой примесью науки.
Этого нельзя забывать руководу кружка.
Руководитель обязан растолковать кружку, как найти причину неудачи полета и как избавиться от недостатков моделей.
Занятия в кружке не должны ограничиваться только постройкой моделей, т. е. практикой; необходимо проработать в кружке ряд вопросов из теории полета. Моя личная практика показала, что теоретический материал проще и легче всего усваивается в том порядке, в каком написана книжка. Не следует заниматься только одной теорией или только одной практикой: следует часы теории и практики чередовать.
Не следует также просто казенно читать лекции, не справляясь у кружка: понятно или не понятно. Нужно почаще устраивать совместное с кружком повторение пройденного путем бесед.
Первую лекцию лучше всего устроить с волшебным фонарем и затронуть понемногу, по возможности, все вопросы воздушного флота, как в мирном, так и в военном его применении.
Конечно, нужно как следует, основательно эту вашу первую лекцию проработать дома, и только тогда, окончательно овладевши темой лекции и захвативши с собой (если будет фонарь) штук 15 — 20 интересных диапозитивов, приступать к докладу.
Во время работы обращайте особое внимание на то, чтобы ребята приучались делать правильные (пусть некрасивые) рисунки и чертежи и умели бы ими хорошо пользоваться при разговоре друг с другом и во время исполнения моделей.
В то же время не советую думать, что сразу же кружок будет делать вполне хорошо летающие модели.
Вернее всего, на первый раз придется удовлетвориться тем, что модель, сделанная в кружке, похожа на изображенную на чертеже. На первых порах старайтесь добиться от моделей небольших уверенных полетов, пусть и очень кратковременных.
При этом требуйте самого точного соответствия с чертежом.
В дальнейшем же нужно после первых успехов, наоборот, предоставить самое широкое поле самодеятельности, помогая лишь только советом, да и то в том случае, если у вас его спросят: пусть каждый рассчитывает, главным образом, на свои собственные силы и знания.
Перед каждой отдельной практической работой нужно предварительно хорошенько продумать снабжение работающих всем необходимым.
Лучше всего запастись инструментами сразу для всех видов практической работы, т. е. для постройки монгольфьеров, змеев и самолетов. Материалы для работы должны быть дешевы и просты, так как в противном случае у кружка не хватит денег на приобретение их.
Нам потребуются такие материалы:
1. Папиросная бумага.
2. Материя (дешевые сорта), или пергаментная бумага.
3. Сосновые рейки (можно достать из брака авиазаводов).
4. 1 мм. фанера.
5. Камыш.
6. Бамбук.
7. Проволока алюминиевая (Госпромцветмет).
8. Проволока стальная 0,2 — 0,5 — 1,0 мм.
9. Алюминий листовой 0,3 — 0,5 мм. толщиною.
10. Дуралюминий (особый сорт алюминия, отличающийся крепостью. Можно достать в авиахламе и в Гос-промцветмете).
11. Бусины (костяные и стеклянные).
12. Шайбочки, диаметр. 4 — 5 мм. и толщиной 0,2 — 0,3 мм.
13. Клей столярный.
14. Клей-синдетикон.
15. Камера велосипедная.
16. Резина в нитках и лентах для моторов.
17. Шкурки разных №№.
18. Гвоздики мелкие проволочные тонкие.
19. Булавки стальные негнущиеся.
20. Бумага твердая (как на почтовых открытках или картах).
21. Суровые нитки и бичевка.
Папиросная бумага идет на постройку монгольфьеров и обтягивание крыльев.
Материя — на обтягивание каркасов змеев.
Пергамент следует употреблять для больших моделей.
Сосновые рейки лучше всего достать через свой Авиа-хим на ближайшем авиазаводе, где всегда имеется большой запас брака таких реек. Цена их колеблется от 3 до 5 копеек за штуку. Это крайне пригодный для нас материал, так как рейки делаются из хорошего авиационного просушенного леса.
Фанера хороша только в 1 мм., так как фанера (клееная) вообще крайне тяжелый материал и толще 1 мм. она уже совсем не выгодна.
Камыш и бамбук встречаются сравнительно редко. Я их привожу для тех мест, где они имеются или их легко
достать. Благодаря своей гибкости и упругости, бамбук и камыш весьма хороший материал для постройки моделей.
Проволока алюминиевая продается в магазине Гос-промцветмета, в Москве. Оттуда ее и может получить ваш Авиахим. Идет, главным образом, на стойки шасси и ободки рулей.
Относительно необходимости прочих материалов говорится подробно при описании постройки моделей.
Инструмент, который необходим в кружке, крайне несложен.
Вот его перечень.
1. Нож перочинный, на каждого члена кружка по одному.
2. Лобзик, 1 на 3 — 4 человека.
3. Дрель, 1 на 5 — 6 человек.
4. Молоток V4 фунта, 1 на 2 человека.
5. Шило, 1 на 2 человека.
6. Рубанок, 1 на 3 человека.
7. Струбцин деревян., не менее 15 штук.
8. Пила одноручная, 1 на 5 человек.
9. Стамеска, 1 на 4 человека.
10. Весы почтовые на граммы, 1 шт.
11. Метры складные, 1 на 2 человека.
12. Пилки для лобзика, 3 дюжины на 1 человека.
13. Угольник, 1 штука.
14. Брусочек точильный, 1 штука.
15. Круглогубцы, 1 штука.
16. Острогубцы (кусачки), 1 штука.
17. Плоскогубцы, 1 шт. на 7 человек.
18. Желательно иметь столярный верстак.
19. Примус для разогревания клея.
Все эти материалы и инструменты должны быть на учете. Проще это осуществить следующим образом.
Кружок выделяет для организаторской работы бюро из 3 — 4 человек в помощь руководителю. На обязанности бюро лежит наблюдение за внутренней жизнью кружка и учет материалов, инструмента и произведенной каждым членом кружка работы, а также — обязательное присутствие при испытании моделей, причем должен вестись протокол испытания моделей, куда заносятся не только результаты испы-
тания, но и данные модели, как то: тип модели, размах, конструкция, сведения о моторе и винте и обязательно прикалывается рисунок или чертеж модели.
Лучше всего вести записи так, как указано на примерном протоколе.
Ведение протоколов испытаний приучает ребят, главным образом, более сознательно относиться к работам кружка и помогает выявить недостатки моделей.
Самую постройку модели можно производить группой, имея одного „ответственного" — старшину группы.
Последовательность постройки лучше всего такая.
Строим все, кроме крыльев, и взвешиваем. Пусть у нас получится вес (с резиной) 160 грамм. Тогда задаемся нагрузкой на квадратный дециметр крыла и определяем площадь крыльев.
Пусть мы желаем построить модель с нагрузкой в 8 гр./кв. дец.
Тогда площадь крыла будет:
160 : 8 = 20 кв. дециметров.
Если зададимся, например, шириной крыла в 2 дцм., то размах будет:
20:2 = 10 дцм., или 1 м., или 1.000 мм.
Значит можем построить крыло 1.000X200 мм.
Это крыло имеет небольшое удлинение, так как 1000 : 200 = 5.
Так как такие крылья невыгодны, то берем ширину 1,6 дцм.
Имеем длину:
20:1,6 = 12,5 дцм., или 1250 мм.
Это крыло будет иметь удлинение:
1250:160 = 7,8.
Так как у него удлинение больше, чем у первого, то считаем, что это крыло будет лучше.
Останавливаемся на крыле размахом 1250 мм. и шириною 160 мм.
Весьма целесообразно делить работающих в кружке ребят на группы: старшую и младшую, в возрастном отношении, так как младшие или с трудом поспевают за старшими, или совершенно отстают от своих товарищей и невольно начинают думать, что это занятие им не по зубам. Кроме того, вообще нужно сказать, что трудность работы в таком кружке скоро отсеивает весь нестойкий элемент, и кружок, насчитывающий при своем основании 20 — 25 человек, через месяц сохранит лишь 10 — 12 ребят.
Но этим смущаться не следует, это еще никоим образом не показывает, что руководитель плох. Нужно помнить, что пусть будет 12 человек, но зато активных и живых ребят.
Обычно ни один кружок не успокаивается на своей внутренней работе. Наоборот, лишь только кружок стал на ноги, окреп и сработался, как сейчас же у ребят является мысль: нельзя ли как нибудь вылезть на более широкое поле деятельности.
Руководитель должен этот момент почувствовать и найти подходящее случаю решение этого вопроса.
Можно с кружком оборудовать авиауголок, устроить агитвечер с пусканием моделей, устроить экскурсию в подшефную деревню и „заразить" деревенских пионеров и неорганизованных ребят этим видом спорта.
Образец протокола...
I. Изготовление Монгольфьера.
Плавание в воде и воздухе. Расчет Монгольфьера. Определение расхода бумаги. Запускание Монгольфьера.
Монгольфьером называется воздушный шар, наполняемый горячим воздухом.
Горячий воздух, как известно, легче холодного. Дым из труб в спокойном воздухе, когда нет ветра, идет вверх. Если сделать легкую шарообразную оболочку и наполнить ее дымом, то, естественно, дым, заключенный в оболочку, стремясь уйти вверх, увлечет с собой и наш снаряд.
Сейчас мы подробно разберемся в силах, действующих на монгольфьер.
Монгольфьер, прежде всего, — прибор легче воздуха. Он является неуправляемым сферическим (шарообразным) аэростатом.
Полет на приборах легче воздуха носит название полета статического. Это — полет тела, плавающего в воздухе, свободно висящего в воздухе. И так как он не снабжен каким-либо приспособлением, которое может монгольфьер перемещать по желанию человека направо, налево, вперед или назад, то монгольфьер и называется неуправляемым аэростатом.
Плавание в воде известно каждому. С другой стороны, каждому же известно, что, например, дерево, пробка плавают, а железо, свинец, стекло тонут, не плавают. Значит все дело в том, чтб именно мы бросим в воду: если легкое — поплывет, если тяжелое — потонет. И наконец надо учесть еще одно важное обстоятельство, а именно вот какое. Можно взять деревянную доску весом в 2 килограмма и маленький металлический шарик весом в 2 грамма. Несмотря на то, что металлический шарик в тысячу раз легче доски, шарик потонет, а доска поплывет. Стало-быть наше суждение о том, что тяжело и что легко, не совсем справедливо. Если бы мы взяли две одинакового размера доски, одну деревянную и другую металлическую, то деревянная поплыла бы, а металлическая — утонула.
Оказывается, что вес плавающей пробки, доски и т. д., нужно сравнивать с весом воды.
Конечно, для сравнения веса воды и дерева нам нужно брать дерево и воду в одинаковых об‘емах. Иначе — легко впасть в ошибку. Действительно, стакан воды весит меньше, чем бревно, и у нас вышло бы, что дерево тяжелее воды. На самом деле мы знаем, что вода тяжелее дерева. Если мы возьмем и тщательно пригоним дерево по обему стакана, а затем свешаем воду в стакане и кусок дерева, то увидим, что дерево легче воды.
Греческий ученый — Архимед, живший еще до рождества Христова, впервые высказал следующий закон.
Всякое тело (пробка, кусок дерева, мел, воск, железо и т. д.), погруженное в жидкость, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная этим телом жидкость.
Обратимся к чертежу № 1. Кусок дерева нижней своей частью вошел в воду, т. е. вытеснил известный ее обем. Этот (показанный черточками) об‘ем воды по весу равен весу всего куска дерева. Со временем вода начнет пропитывать дерево и оно все больше и больше начнет погружаться в воду. Через некоторое время (довольно продолжительное) мы увидим, что дерево хотя и держится на воде, но уже еле выглядывает с ее поверхности.
Это легко объясняется законом Архимеда. Действительно, раз дерево намокает, то оно делается тежелее и нужен все больший об‘ем воды, который должен уравновесить вес намокшего дерева.
Тяжелые металлические пароходы, дредноуты и т. д. свободно держатся на воде оттого, что вес вытесненной ими воды (водоизмещение) как раз равен весу корабля. И несмотря на то, что они целиком сделаны из металла, эти громады, благодаря пустотелости, оказываются легче воды. Но лишь только сквозь какое-либо отверстие вода сможет проникнуть внутрь корпуса корабля, как корабль начнет тонуть — его вес начнет увеличиваться по отношению к воде.
Тот же закон Архимеда вполне применим и для газа. Воздух — это смесь различных газов. Ученые доказали, что воздух имеет вес. Холодный воздух тяжелее, горячий — легче.
Монгольфьер, наполненный горячим воздухом, занимает некоторый обем воздуха (холодного). Вытесненный монгольфьером об‘ем равен обему находящегося в нем воздуха. Но в монгольфьере воздух легче, и разница в весе этих двух одинаковых обемов воздуха дает иодемную силу.
Итак, с одной стороны на монгольфьер действует вес оболочки, а с другой стороны — подемная сила, благодаря разнице в весе холодного и горячего воздуха.
Теперь мы перейдем к расчету монгольфьера.
Для того, чтобы сделать наш крайне простой расчет, нам необходимо знать несколько цифр.
Во-первых, нам необходимо знать, какова подемная сила одного кубического метра нагретого воздуха.
Опытами и вычислениями, которых не будем приводить здесь, найдено, что подемная сила одного кубического метра горячего воздуха равна 0,3 — 0,4 килограмма, т. е. 300 — 400 грамм.
Затем нам нужно знать, сколько весит оболочка нашего монгольфьера, т. е. нам нужно знать, сколько весит один квадратный метр нашей оболочки.
Путем самого обыкновенного взвешивания мы можем определить вес одного квадратного метра оболочки, которую
мы выполним из папиросной бумаги. Чистый вес одной папиросной бумаги не будет соответствовать истине. Нужно учесть еще вес клея, которым будут склеены швы оболочки.
Поэтому проще всего склеить один квадратный метр бумаги, той самой, из которой мы будем делать оболочку, и затем его свешать.
В нашем примере вес одного квадратного метра равен 70 граммам.
Наконец, когда мы эти сведения имеем, приступаем к проектированию (так называют расчет с чертежами нашего аэростата).
Задаемся диаметром шара в 2 метра. Это значит, что мы заранее себе говорим: наш шар будет иметь в поперечнике 2 метра.
Найдем, какова будет поверхность и какой об‘ем у шара такого диаметра.
Для того, чтобы узнать поверхность шара, надо диаметр шара помножить на самого себя и еще на число 3,14.
Следовательно, поверхность шара равна:
Для того, чтобы определить обем шара, нужно поверхность его, которую мы сейчас узнали, умножить еще на диаметр и разделить на 6.
Стало-быть, обем нашего шара равен:
Так как у одного кубического метра нагретого воздуха подемная сила равна 0,3 килограмма, то у нашего монгольфьера она будет равна: 4,18X0.3 = 1,254 килограмма, т. е. 1254 грамма.
Узнаем, сколько весит оболочка.
Вес одного квадратного метра помножим на число квадратных метров в оболочке; так как вес одного квадратного метра бумаги равен 70 граммам, то: 70 X 12,56 = 879,2 грамма.
Таким образом получается, что подемная сила, т. е. избыточное давление вверх равно: 1254 — 879,2 = 374,8 грамма.
Это и будет та самая подемная сила, которая потянет наш монгольфьер вверх. Если будем поддерживать температуру воздуха внутри шара все время постоянной, то он
все время будет итти все выше и выше. Если же мы выпустим аэростат без непрерывного во время полета подогревания, то он, поднявшись на высоту 50 — 100 метров, остынет и опустится на землю.
Для того, чтобы подогревать воздух непрерывно во время полета шара, мы можем приделать к нему кусок пакли или ветоши, смочив их нефтью. Если мы хотим, чтобы под‘емная сила была бы не меньше 200 грамм, то тогда пакля, или ветошь, смоченная нефтью, должна быть немногим тяжелее 170 грамм.
Действительно, без этой добавочной нагрузки из пакли с нефтью подемная сила монгольфьера равна 374,8 грамма. Если же вес пакли не больше 174,8 грамма, то останется 200 грамм. Зато такой монгольфьер с подогревом может пройти 5 — 6 верст.
Для придания нужной формы оболочке необходимо ее склеить по особым выкройкам — разверткам.
На чертеже № 2 представлен вид монгольфьера сбоку, и на том же чертеже справа — выкройка, или развертка, двенадцатой части его. Для выполнения монгольфьера диаметром 2 метра потребуется, следовательно, 12 таких рыбовидных долек. Конечно, склеенный из 12 таких рыбовидных долек, монгольфьер не будет иметь, если смотреть сверху или снизу, шаровой поверхности. Строго говоря, в плане монгольфьер представит собою двенадцатиугольник.
Для выполнения монгольфьера вычерчивают в натуральную величину на картоне шаблон и вырезают. Затем берут папиросную бумагу и склеивают ее длинными полосками так, чтобы шаблон совершенно поместился на бумаге и еще осталось место на склеивание долей. На чертеже № 3 показан монгольфьер диаметром в полтора метра.
Определение расхода бушаги.
Нельзя сказать, что для изготовления монгольфьера нужно столько квадратных метров бумаги, сколько квадратных метров содержится в поверхности оболочки. В самом деле, когда мы накладываем шаблон на бумагу, то у нас
остаются места, которые отрезаются. Вот эту-то неизбежную трату и приходится учитывать. Обратимся к нашему примеру. Поверхность нашего монгольфьера равна 12,56 квадратных метра.
Пусть у нас имеется в распоряжении листы бумаги длиной в один метр и шириной в 0,6 метра. Поверхность такого листа будет
1 м. X 0,6 м. = 0,6 кв. м.
На первый взгляд покажется, что нам необходимо:
12,56: 0,6 = 20,09 листа.
В действительности же на оклейку одной двенадцатой доли нужно:
0,5 X 3,5 = 1,75 кв. метра или 4 листа.
На 12 долей потребуется:
4 X 12 = 48 листов.
Чертеж 4.
При некоторой продуманности склейки можно избежать такого расхода бумаги и свести его к расходу 40 листов.
Склеивание производится следующим образом.
Сперва заготовляют полосы бумаги, из которых будут вырезаться выкройки — доли оболочки.
Затем склеивают такие дольки попарно; на особом приспособлении (черт. № 4) склеивают эти пары выкроек вместе и наконец склеивают окончательно.
Нужно наблюдать, чтобы при склеивании не очень много мазали клею. Иначе шар может получиться очень тяжелый. На и лучшие результаты дал столярный клей, который можно рекомендовать. Он достаточно прочен, скоро схватывает и застывает.
Пускать монгольфьер нужно небольшой командой по 5 — 6 человек. Команда должна быть достаточно сработавшаяся. Каждый должен безошибочно замечать, когда тяга монгольфьера вверх наибольшая и по команде старшего должны одновременно отпустить. Пускать следует в такое время, когда ветра или совсем нет, или он очень слабый. В противном случае надувшийся шар представит большое сопротивление ветру и ветер или порвет монгольфьер, или сплющит его и выдавит теплый воздух. Наполнение шара дымом во время ветра также затруднительно. Язык огня легко может поджечь нижнюю часть шара, так называемый аппендикс, через который нагретый воздух поступает в шар.
В случае, если пуск шара происходит в открытом поле, где пожарная опасность невелика, можно подвешивать на легкой проволоке к аппендиксу губку или ветошку с бензином для того, чтобы шар по возможности долго сохранял горячий воздух.
II. 3 и е и.
1. Начальные сведения из теории полета машин тяжелее воздуха. 2. Сопротивление воздуха при движении. Лобовое сопротивление. Удобообте-каемая форма. 3. Сила. Бе обозначение. Точка приложения. Направление силы. Разложение сил. 4. Змей. Подсемная сила я лобовое сопротивление воздуха, угол атаки. Разложение сил па змее. Центр парусности. Неустойчивое падение пластинки и его причина. Значение хвоста. Нагрузка на 1 м.2. Конструкции змеев. Бесхвостый, треугольный и Харграв.
Начальные сведения из теории полета пашин тяжелее воздуха.
Когда какое-нибудь тяжелое тело двигается, то, как мы знаем из опыта, на остановку его нужно некоторое время. Так, нам известно, что перед остановкой поезд замедляет свой ход и сразу, моментально не останавливается, а постепенно теряет скорость движения. Это явление носит название инерции. Говорят, что мяч по инерции прокатился дальше, чем следует и т. д. На самом же деле инерцией называется не только стремление движущегося тела сохранить свое движение, но также и стремление, находящегося в покое, тела сохранить свой покой. Так, мы знаем, что лошадь, когда страгивает с места тяжелый воз, особенно сильно напрягается, и знаем, что это напряжение лошади уменьшится, как только воз покатится.
Сопротивление воздуха при движении.
Лобовое сопротивление. Удобообтекаемая форма.
Значит, всякое тело стремится сохранить положение покоя или движения до тех пор, пока какая-либо причина его из этого состояния не выведет. Велосипедист должен приложить сперва значительное усилие, чтобы „раз‘ехаться“, разогнаться и затем уже только помогает велосипеду сохранить движение. Если велосипедист кончит работать ногами, то велосипед будет катиться медленнее и наконец остановится. Нет ли тут противоречия? Ведь закон инерции говорит, что велосипед должен катиться до тех пор, пока его какая-либо причина не остановит. Велосипедист же не останавливает велосипеда, а только перестает работать ногами. Действительно, велосипедист не работает ногами, но и не тормозит; велосипед же все время задерживается: его движение тормозится сопротивлением трения в колесах и сопротивлением воздуха. В самом деле, когда велосипедист едет в тихую, безветренную погоду и бросает работать ногами, то велосипед пробегает метров 30 и, наконец, останавливается. В случае же, если есть ветер навстречу, то велосипед проедет значительно меньше, приблизительно, метров 15. Плохо смазанный и небрежно собранный велосипед будет двигаться очень лениво и потребует для езды на нем больше силы, чем велосипед правильно собранный и хорошо смазанный. Значит, трение в частях велосипеда также задерживает его движение. Эти две силы — сопротивление воздуха и трение — и останавливают катящийся по инерции велосипед.
Итак, воздух оказывает значительное сопротивление движущимся предметам.
Можно значительно уменьшить сопротивление воздуха при движении велосипедиста.
Давайте сделаем легкий яйцевидный скелет и на этот скелет натянем прочную бумагу или легкую материю. Затем наденем эту получившуюся у нас яичную скорлупу на велосипед так, чтобы у велосипедиста едва высовывалась голова из яйца и ему только можно было бы видеть дорогу. Тогда велосипедисту будет сразу легче ехать, несмотря на встречный ветер (см. чертеж № 5).
Такая форма яйца называется „удобообте-каемой формой . Заметим себе ее существенные признаки. Во-первых, тело такой удобообтекаемой формы движется вперед тупой стороной и, во-вторых, наиболее толстая часть тела находится в передней половине. Обратив внимание на форму рыб или птиц, увидим, что и природа тоже придерживается такой удобообтекаемой формы с целью дать возможность птицам меньше тратить сил на сопротивление воздуха при полете (черт. № 6), а рыбам - - при плавании в воде (черт. № 7).
А теперь перейдем к самому возникновению подемной силы.
Сила.
Ее обозначение. Точка приложения. Направление силы. Разложение сил.
В детстве каждый пускал воздушный змей. Эта игрушка очень поучительна особенно для людей, интересующихся летанием. Но прежде, чем перейти к самому змею, нам нужно кое-о-чем условиться.
1. Будем обозначать силы стрелочкой; длина стрелы тем больше, чем больше сила.
2. Будем особо обращать внимание на точку „приложения" силы, т. е. на такую точку, через которую тело как бы связано с силой, через которую сила воздействует на /(.г.«, тело.
3. Условимся, что направление стрелки показывает направление действия силы. Так, например, человек держит в руке пружинный безмен, и на чашке безмена лежит груз весом 400 грамм. Ясно, что сила веса, равная 400 граммам, тянет безмен вниз, а этой силе сопротивляется усилие руки, но направленное вверх; поэтому у руки мы рисуем стрелку такую же, как у груза, но направленную вверх. Кроме веса груза рука еще испытывает усилие от веса самого прибора, безмена, который тоже направлен вниз и приложен где-то в нижней точке. Рука испытывает силу в 150 грамм, направленную вверх. Точка приложения силы веса — в точке, обозначенной на рисунке буквой „а“, вес безмена приложен в точке, обозначенной буквой „в" и точка приложения силы сопротивления руки (так называемой „реакции") — в точке, обозначенной буквой „б". Направление всех сил отвесное (вертикальное), причем силы действия тяжести направлены вниз и силы действия руки (сопротивления) — снизу вверх (см. черт. № 8).
Теперь давайте познакомимся еще с так называемым „разложением сил". Пусть у нас лошадь везет воз (черт. Л1» 9). Обычно оглобли у лошади идут от хомута вниз к передней оси, и так как передние колеса малого размера, то и ось колес вообще бывает невысоко от земли. Выходит, что лошадь тянет телегу немного вверх, по направлению „А". Эта сила тяги лошади приложена в точке „г". Но телега-то едет не косо вверх, а по земле (горизонтально), по направлению силы „В". Таким образом, мы видим, что, строго говоря, лошадь тянет телегу не туда, куда телега двигается. Часть лошадиной тяги расходуется зря. Лошадь старается немного приподнять передние колеса телеги. Действительно, если лошадь очень быстро стронет воз (особенно легко нагруженный или пустую телегу) с места, то часто передние колеса подпрыгивают. Следовательно, у нас на лицо две силы: одна направлена по стрелке „В“, а другая — по стрелке „Б“.
Значит, тяга лошади „А“ разложилась на две силы: на силу „В“ — по движению телеги, полезную для нас, и на силу „Б“ - вверх, которая для нас бесполезна.
Запасшись этими сведениями, перейдем к изучению полета змея.
Подемная сила и лобовое сопротивление воздуха, угол атаки. Разложение сил на змее. Центр парусности. Неустойчивое падение пластинки и его причина. Значение хвоста. Нагрузка на 1 мА
Сделаем себе обыкновенный рамочный змей. Как известно, он состоит из легкой деревянной рамки, оклеенной бумагой. Эта, получившаяся таким образом, легкая и довольно жесткая пластинка снабжена путлей (или путой), помощью которой веревка привязывается к змею и обязательно — хвостом (обычно мочальный, — чертеж № 10).
Как мы запустим змей?
Во-первых, мы знаем, что если есть ветер, то можно запустить змей не сходя с места, и, во-вторых, в том случае, когда у поверхности земли ветра нет или мало, то нужно бежать и как бы создать ветер. Поднявшись на некоторую высоту, змей может встретить там ветер и остаться летать.
Другими словами, нам необходима скорость, с которой воздух набегает на пластинку змея. Чем скорость больше, тем и змей скорее взлетает и увереннее держится в воздухе.
Но одной скорости мало, нужно еще как-то наклонить змей. Из опыта мы знаем, что если пластинка змея будет в отвесном положении (вертикальном, — чертеж № 11), то
ветер постарается утащить змей назад, в ту сторону, куда ветер дует, и змей не будет подниматься. Если же мы пла-
стинку змея поставим плашмя (горизонтально), то ветер не поднимет змея и назад не потащит (чертеж № 12).
Другими словами, необходимо нужно, чтобы змей стоял косо по направлению ветра. Посмотрим чертеж № 13. В таком случае принято говорить, что пластинка змея образует угол встречи с направлением ветра — „а“. Этот угол чаще называют „углом атаки".
Теперь посмотрим, чем же обгоняется происхождение иодемной силы.
Оставим на минуту змей и обратимся к изучению самого обычного явления, которое нам очень поможет при изучении под‘емной силы змея.
Не раз вы, вероятно, видели, как сильный ураганный ветер разрушает крышу домов и что при этом железные листы крыши оказываются сорванными наружу, а не вдавленными внутрь крыши. Между тем принято говорить, что ветер „давит" на крышу.
Посмотрим, что же тут происходит. На чертеже № 14 показан дом, на который дует сильный ветер. Для того, чтобы обойти дом, ветер должен обогнуть крышу. Оказывается воздух не будет обходить крышу таким резким угловатым движением, как это показано прерывистой толстой линией, а пойдет по плавным кривым линиям, которые на рисунке указаны тонкой сплошной чертой.
Итак, воздух будет двигаться по кривым линиям, которые очень похожи на части кругов. Значит, частицы воздуха, можем сказать, движутся над крышей по кругу. А из опыт мы знаем, что если что-либо движется по кругу, то сейчас же развивается центробежная сила, которая стремится всегда удалить наш предмет от центра круга. Например, если мы на один конец веревки привяжем камень, а другой конец возьмем в руку и начнем быстро вращать камень по кругу, то, в конце концов, камень оборвет веревку и улетит наружу (из круга) под влиянием центробежной силы.
Но ведь воздух тоже тяжелое тело, и поэтому, двигаясь по кругу, будет испытывать стремление уйти от крыши. Одним словом, над крышей получается уменьшение давления воздуха. Под крышей же будет нормальное давление (атмосферное) и поэтому оно будет больше, чем давление над крышей. Когда ветер достигнет большой скорости, то эта разница давлений будет такой большой, что наконец крыша разрушится (вырвется) наружу.
Условимся с вами обозначать давление знаком -f-, а разрежение (недавление) знаком — (чертеж № 15).
Подумаем, что будет делаться около змея, когда его пластинка стоит под утлом встречи по отношению к ветру (чертеж № 16).
Оказывается, под змеем будет давление немного большее, чем обыкновенное воздушное давление, а над змеем — меньшее давление (разрежение). Кроме того, за змеем будет иметь место еще одно неприятное для нас явление, а именно вот что: на большом удалении от змея, движущийся в направлении верхней стрелки, воздух (ветер) имеет нормальное давление и, конечно, заставит струйки воздуха, которые находятся сразу за змеем, отклониться назад к змею. В этом месте мы получим беспорядочное движение воздуха. Струйки воздуха там будут как бы закручиваться и путаться друг с другом. Под влиянием давления спереди и снизу и разрежения сверху и сзади пластинка испытывает сопротивление со стороны движущегося воздуха, направленное снизу вверх — „С“.
Вспомним нашу лошадь. Силу тяги лошади мы разложили на две силы: одну по направлению движения и другую по вертикальному направлению. Также разложим и силу сопротивления воздуха. Одна пойдет вверх — поденная сила „П“: она заставляет змей подниматься вверх, и другая сила — „Л“ — тянет змей назад по направлению движения воздуха (чертеж № 17).
Из опыта мы знаем, что это так в действительности и происходит: змей одновременно взлетает вверх под действием подемной силы и сильно тянет веревку под действием силы лобового сопротивления „Л“. Разложение сил на змее показано на чертеже 17. Из практики пускания змея известно, что не всегда-то змей летает устойчиво: иной раз змей все время кувыркается и наконец падает.
Нам нужно обяснить себе, в чем тут дело и отыскать корень зла этих неудач.
Чертеж 16.
Пусть у нас готов самый змей, но ни хвоста, ни путли еще нет. Бросим нашу пластинку на воздух; оказывается, что она будет падать не плавно, а кувыркаясь. Вот причину такого неустойчивого падения мы сейчас и разберем.
До сих пор мы рассматривали величину и направление подемной силы, а на точку ее приложения на змее не обращали внимания.
Змей сам по себе тяжелее воздуха. Поэтому-то он и падает. Значит, на пластинку змея действует сила тяжести. Эта сила, как известно, приложена в каждом предмете в центре тяжести. Следовательно, если мы предоставим пластинку змея самой себе, то прежде всего на нее подействует сила тяжести, приложенная в центре тяжести пластинки, т. е. в середине ее.
Пусть пластинка двигается по пути, указанному пунктирной линией (прерывистой), так, что образует некоторый угол атаки „а“ (чертеж № 18). Тогда на пластинку будет действовать еще, кроме силы тяжести, сила сопротивления воздуха.
Оказывается, эта сила сопротивления приложена на пластинке не в одной какой-либо постоянной точке „А“, а в такой точке, которая зависит от того угла атаки, под каким встречает пластинка воздух. На чертеже № 19 показано примерное положение и направление подемной силы при изменении угла атаки. При положении первом, когда угол атаки равен нулю, т. е. его совсем нет, то и никакого сопротивления нет. При втором положении, когда уже появился некоторый малый угол атаки, появляется общее сопротивление воздуха, приложенное в точке „А“ и направленное по стрелке. При дальнейшем увеличении угла атаки точка приложения сопротивления воздуха (мы ее будем называть центром давления) будет двигаться к середине. И, наконец, при положении пятом, когда угол атаки равен 90° и пластинка стоит отвесно, то равнодействующая пройдет через середину пластинки.
Следовательно, пластинка, брошенная в воздух, будет находиться под давлением двух сил: одной — силы тяжести и другой — силы сопротивления воздуха, при чем сила тяжести сохраняет все время одну и ту же величину, направление и точку приложения — центр тяжести, а вторая сила, наоборот, при изменении угла атаки меняет и свою величину, и направление, и точку приложения.
На рисунке № 18 показано, как на пластинку действует сила тяжести и сопротивление воздуха. При таком положении (1) сил, как на чертеже, пластинка будет поворачиваться около центра тяжести в сторону стрелки, пока не придет во второе положение, когда, под влиянием другого расположения сил, она будет стремиться повернуться в другом направлении.
Чертеж 18.
Почему змей летает — нам теперь ясно. Перейдем к другому, не менее интересному вопросу, а именно — к выяснению устойчивости змея. Почему змей, как наша пластинка, не кувыркается?
Прежде всего заметим себе, что при рассмотрении змея нам нужно добавить к пластинке еще одну силу, а именно — тягу веревки.
Это очень существенно. Механика нас учит, что для того, чтобы какой-либо предмет был в равновесии, нужно, чтобы все силы, на этот предмет действующие, обязательно пересекались в одной точке. Примем, пока что, это на веру.
Чертеж 20.
На чертеже № 20 показана пластинка змея, находящаяся под влиянием трех сил: силы тяжести — в точке „В“, силы сопротивления воздуха — в точке „А“ и Силы тяги веревки — в точке „Г“.
Эти все три силы пересекаются в одной точке „Б“.
Всякое тело (т. е. всякий предмет весомый, действительно существующий), если на него так действуют силы, что могут это тело повернуть, поворачивается непременно около центра тяжести.
Посмотрим, что у нас получилось. Под влиянием силы сопротивления воздуха змей захочет повернуться около центра тяжести „В“, в сторону, указанную стрелкой „б“, а под влянием силы тяги веревки он стремится повернуться по стрелке ,,в“. Если у нас оба стремления вращаться одинаковы, то змей будет неподвижен и не будет никакого вращения. Хвост необходим для того, чтобы центр тяжести перенести немного по пластинке вниз и тормозить колебания змея, если ветер будет прерывистый, неровный.
В современной науке змей занимает почетное место. Этой „игрушкой" не брезговали весьма видные ученые, и помощью применения змея удалось выяснить немало серьезных научных вопросов, особенно по изучению верхних слоев воздуха.
Опыты со змеями показали, что для того, чтобы змей обязательно полетел при какой-либо определенной скорости ветра, нужно соблюсти одно необходимое условие.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
