Библиотечка «Квант» № 70
Альберт Леонидович Стасенко
Физика полёта
*** 1988 ***
От нас: 500 радиоспектаклей (и учебники)
на SD‑карте 64(128)GB — ГДЕ?..
Baшa помощь проекту:
занести копеечку — КУДА?..
|
Физика полета? Неужели есть такая? Отчего же нет? Ведь есть «Физика вокруг нас», «Физика в ванне», «Физика времени», почему же не быть и «Физике полета»? Во-первых, она связана с многотысячелетней мечтой человечества, реализованной только частично, так как освоен пока что лишь крохотный кусочек маленькой Солнечной системы. Во-вторых, летательный аппарат фактически является венцом технической цивилизации — не случайно его производство доступно только самым мощным державам. В-третьих, и в самом деле пет раздела физики, который не был бы учтен в летательном аппарате — от механики точки и деформируемого тела, термодинамики двигателей до последних достижений астрофизики. В-четвертых, существует же для чего-то Московский физико-технический институт, а в нем — факультеты аэрофизики и космических исследований и аэромеханики и летательной техники,— стало быть, имеет смысл сочетание слов типа «физика полета». В-пятых,... Но, если читатель признает эти «оправдания» достаточными, примемся за дело. Прежде всего, при изложении материала мы будем следовать доброй традиции Библиотечки «Квант» — не просто сообщать факты, уповая на авторитет типографского текста, но ориентировать читателя на работу с собственными записями с целью повторить алгебраические выкладки и численные оценки. Для их облегчения книга снабжена небольшой таблицей используемых характерных параметров небесных тел и универсальных физических постоянных (см. Приложение 1). (Здесь уместно предуведомить читателей, что числен-вые оценки в физике несколько отличаются, например, от бухгалтерских расчетов, проводимых с точностью до копейки. Под оценкой в физике имеется в виду значение величины внутри одного порядка; следовательно, не страшно ошибиться в два, три, л, а то и в пять раз.) В целом это вполне соответствует общеисторической тенденции науки и техники: «Когда штудируешь книги, посвященные машинам XVI и XVII веков..., поражаешься приблизительности, неточности строения, функционирования и самого замысла... ни разу эти машины не были точно „рассчитаны...". Все они были сделаны „в прикидку", „на глазок"... все эти машины принадлежали миру „приблизительности"» *). Но создание современных машин, в частности летательных аппаратов с заранее заданными свойствами, немыслимо (просто безнадежно дорого) без использования законов физики и методов математики. Эта книга — не учебник, потому что в название «Физика полета» можно включить десятки отдельных курсов. Это небольшой сборник сюжетов, которые автор пытался расположить более или менее логично (по своему разумению) — то ли по «высоте» полета, то ли по его скорости. Конечно, не обошлось и без использования некоторых материалов из популярных книг и статей других авторов (А. Борина, В. Кожохина, JL Лескова и др.). За рамками тематики книги осталась увлекательная и драматичная история развития летательных аппаратов**), поскольку мы взялись изложить лишь физику полета (а стало быть, и сопутствующую ей математику). Автор выражает благодарность доктору физико-математических паук А. И. Буздину за полезные советы и своему сыну Аптону за участие в подборе эпиграфов и сочинении веселых картинок. *) Койре А. Очерки истории философской мысли.— М.: Прогресс, 1985.— С. 113. **) К счастью, по истории авиации уже написано много хороших книг, например: Болховитинов В. Ф. Пути развития лета-тельпых аппаратов.— М.: Оборонгиз, 1962; Дузъ П. Д. История воздухоплавания и авиации в России.— М.: Машиностроение, 1981; Яковлев А. С. Советские самолеты.— М.: Наука, 1975, и мы надеемся, что вскоре появятся и новые. 1. АТМОСФЕРЫ ПЛАНЕТ И ВСЕ, ЧТО ВЫШЕ ... с середины неба глядит месяц. Необъятный небесный свод раздался, раздвинулся еще необъятнее. Горит и дышит он. Земля вся в серебряном свете; и чудный воздух и прохладно-душен, и полон неги, и движет океан благоуханий. If. В. Гоголь Конечно, не о всякой планете можно сказать столь восторженные слова — наверняка речь идет об атмосфере Земли. С нее н начнем. Правда, нечего и надеяться рассказать все, что можно, об атмосфере Земли, обо всех ее ветрах, грозах, тайфунах, облаках; этого не сделать даже в очень толстой книге, не то, что паша. Но можно сделать то, что делают физики каждый раз, когда все очень сложно (а сложно почти всегда),— можпо построить мидель (в данном случае атмосферы). Хорошая модель должна описывать самые характерные черты объекта или явления, которые мы намереваемся использовать далее для работы, а не просто для любования. А что самое важное для нас в атмосфере? П ре ж до всего, это ее плотность — ведь мы собираемся в ней двигаться, причем как можно быстрее. Даже интуитивно ясно, что сила сопротивления движению должна зависеть от плотности окружающей среды: например, в воде рукой двигать труднее, чем в воздухе, с той же скоростью. С высотой плотность атмосферы должна уменьшаться, иначе тяжелые «сгустки» воздуха опускались бы вниз. Кроме того, те, кто бывал в горах, знают: чем выше, тем холоднее, а на высоких вершинах лежат вечные снега,— значит, температура воздуха с высотою падает. А с понижением температуры, очевидно, должна изменяться и плотность. Но как? Прежде всего, выясним, до какого наименьшего зпачепия может упасть температура. Неужто до абсолютного нуля или до того, что в научной фантастике называют «космическим холодом»? Рис. 1. Изменение с высотой плотности, давления и температуры воздуха для «стандартной» атмосферы К настоящему времени параметры атмосферы многократно измерены и некоторая осредпенная картина их распределения (так называемая стандартная атмосфера) показана на рис. 1. По вертикальной шкале здесь отложена высота: как и положено высоте, она измеряется вверх, начиная от нуля на уровне моря. А те величины, которые зависят от высоты — давление р, плотность р, температура Т,— отложены по горизонтальной шкале. Заметим, что для того чтобы охватить широкий диапазон изменения давления и плотности, их значения показаны в логарифмическом масштабе, а температура — в линейном. Что же видно из этого рисунка? Например, на уровне моря (точки А) давление равно 105 Па, плотность порядка 1 кг/м3 = р„, температура около 300 К; а на высоте А = 100 км давление близко к 10-2 Па (т. е. уменьшилось на семь порядков: 5 —(—2) =7), а плотность стала меньше одной миллионной кг/м3. Зависимость плотпости атмосферы Земли пт высоты над уровнем моря приближение можно выразить формулой пригодной до высот ~80—100 км. Стоящая в знаменателе показателя степени величина h* = 7,16 км служит масштабом «толщины» атмосферы. Зависимость (1) изо-мость (1) изображена штриховой кривой. Конечно, судя по графику, значения давления и плотности изменяются довольно сложно с увеличением высоты; по, во всяком случае, очевидно, что они монотонно уменьшаются. А вот температура изменяется очень прихотливо: сначала она падает до высоты ~10 км (обычно на этой высоте стюардессы пассажирских авиалайнеров торжественно сообщают, что температура за бортом —50 или даже —60 °С), этот слой воздуха называется тропосферой. Затем до высоты порядка 100 км она колеблется, дважды проходя участки с постоянным значением (большая часть этого слоя называется стратосферой) и, наконец, если подниматься еще выше, температура уже монотонно растет, достигая тысячи кельвинов (па высоте примерно 150 км) и более*). Получается, что если па этой высоте или чуть выше неподвижно как-нибудь подвесить предмет, например футбольный мяч. то он вспыхнет и сгорит, а еще выше — расплавится и самое тугоплавкое тело. Где же «космический холод»? *) Более подробно такое слоистое строение атмосферы описано (и, главное, объяснено!) в кпиге: Бялко А. Б. Наша планета — Земля.— М.: Наука, 1983.— Библиотечка «Квапт», выи. 29. KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
