Почему летают самолеты?

Почему летают самолеты?
Новое понимание проблемы
План
• 1. Аппараты «легче» воздуха.
• 2. Проблема полета облаков.
• 3. Проблема полета воздушного змея.
• 4. Закон Бернулли.
Воздухоплавание
• Воздухоплавание, летание на аппаратах
легче воздуха. До начала 20-х гг. 20 в.
термин “воздухоплавание” обозначал
передвижение по воздуху вообще.
Зарождение научных основ
воздухоплавания и первые попытки
подняться в воздух, используя законы
аэростатики, относятся к 18 веку. Как
свидетельствует летопись, в России
попытка подъёма на большом шаре,
наполненном дымом, относится к 1731.
• Итак воздухоплавательные
аппараты менее плотны, чем
окружающий воздух.
Почему летают облака?
Может ли облако упасть на
землю?
• Многие думают, что облако
не может упасть на землю.
Это совсем не так. Облака
падают на землю, и можно
неожиданно оказаться в
густом тумане, который и
есть не что иное, как
упавшее на землю облако.
• Как облако держится в
воздухе, если оно состоит из
капелек воды и кристаллов
льда, которые во много раз
плотнее окружающего
воздуха?
Воздушные потоки
• От земли идут восходящие
потоки горячего воздуха,
которые, сталкиваясь с
облаками, создают как бы
воздушную подушку для них.
Нижний край облака
выравнивается. При
обтекании этими потоками
облака, они создают сверху
завихрения, отчего верхний
край облака неровен.
• Если восходящий поток
ослабнет или исчезнет
совсем, то облако может
упасть на землю.
Уравнение неразрывности
• Если вещество (среда)
•
несжимаема и нет разрывов
(пустот), то при протекании по
трубе количество втекающей с
одной стороны и вытекающей с
другой стороны жидкости за
единицу времени должно быть
одинаково. Отсюда следует, что
по узким участкам жидкость
будет двигаться быстрее, а по
широким медленнее.
При этом, как показывает
эксперимент, поперечное
давление на участках с более
высокой скоростью меньше, чем
на участках с пониженной
скоростью (см. рисунок).
Закон Бернулли
• Объяснение этому явлению
нашел ученый Яков
Бернулли. Он применил
закон сохранения энергии и
уравнение непрерывности к
случаю протекания жидкости
по трубе и вывел
(уравнение) закон,
называемый его именем.
• Из формулы, выражающей
закон, видно, что при
постоянных плотности ρ и
высоте h давление р тем
меньше, чем выше скорость
v.
• Применяется этот закон
во многих технических
устройствах. Например,
водоструйный насос (см.
рисунок). Поток воды
понижает давление
воздуха в левом
резервуаре насоса, и
воздух их правой части
вдавливается в левую
более высоким
давлением.
• Наш соотечественник
•
Жуковский применил закон
Бернулли к случаю обтекания
крыла самолета с определенным
профилем (см. рисунок). Он
рассмотрел процесс обтекания в
системе отсчета, связанной с
крылом и сформулировал и
доказал теорему о циркуляции,
из которой вывел формулу
подъемной силы крыла (см.
внизу рисунка).
Здесь S –площадь крыла, v –
скорость потока воздуха,
налетающего на крыло, u –
скорость циркуляции потока
вокруг крыла, ρ – плотность
потока воздуха.
Применение закона Бернулли
• Здесь мы видим
информацию,
связанную с
различными
аспектами
вывода и
применения
закона
Бернулли.
• Здесь дан
фрагмент
более
строгого
вывода
закона
Бернулли.
• Журнал
Квант №..
19.. год
Проблемы применения закона Бернулли
•
Все это хорошо! Однако при применении закона Бернулли возникают
многие противоречия:
1. Воздушные струи могут менять плотность и испытывать разрывы,
что делает применение уравнения непрерывности, а, значит, и
закона Бернулли к воздушному потоку.
2. При попытке применить закон Бернулли к полету подкрученного
мяча, результат противоречит наблюдаемым данным.
3. В выводах Жуковского очень важен профиль крыла и его
ориентация («верх» - «низ»), и, получается, что в перевернутом
виде самолет летать не может, так как «подъемная сила» будет
действовать сверху-вниз. На самом же деле самолет прекрасно
может летать и «вверх ногами»
4. Воздушный змей, не имеющий профиля крыла, прекрасно держится
в воздухе, что не может быть объяснено выводом Жуковского.
5. Другие проблемы.
Мы попробуем разрешить их в ходе нашего исследования.