Понятие гидродинамики

Но дело не исчерпывается  только этим. Наличие пограничного слоя в корне изменяет характер обтекания тела жидкостью.

Полное обтекание становится невозможным. Действие сил трения в  поверхностном слое приводит к тому, что поток отрывается от поверхности  тела, в результате чего позади тела возникают вихри (см. рис. 78.3, на котором  показано обтекание цилиндра вязкой жидкостью). Вихри уносятся потоком и постепенно затухают вследствие трения; при этом энергия вихрей расходуется на нагревание жидкости. Давление в образующейся за телом вихревой области оказывается пониженным, поэтому результирующая сил давления будет отлична от нуля, в свою очередь обусловливая лобовое сопротивление.

Таким образом, лобовое  сопротивление складывается из сопротивления  трения и сопротивления давления. При данных поперечных размерах тела сопротивление давления сильно зависит  от формы тела.

По этой причине его называют также сопротивлением формы. Наименьшим сопротивлением давления обладают тела хорошо обтекаемой каплевидной формы (рис. 78.4). Такую форму стремятся придать фюзеляжу и крыльям самолетов, кузову автомобилей и т. п.

Соотношение между сопротивлением трения и сопротивлением давления определяется значением числа Рейнольдса (76.1). В данном случае l — некоторый характерный размер тела (например, радиус для тела шаровой формы), υ — скорость тела относительно жидкости.

При малых Re основную роль играет сопротивление трения, так что сопротивление давления можно не принимать во внимание. При увеличении Re роль сопротивления давления все больше растет. При больших значениях Re в лобовом сопротивлении преобладают силы давления.

Определяя характер сил, действующих на тело в потоке, число Рейнольдса может служить критерием подобия явлений и в этом случае. Это обстоятельство используется при моделировании. Например, модель самолета будет вести себя в потоке газа таким же образом, как и ее прообраз, если, кроме геометрического подобия модели и самолета, будет соблюдено также равенство для них чисел Рейнольдса.

Формула Стокса. При малых Re т. е. при небольших скоростях движения (и небольших l см. (76.1)), сопротивление среды обусловлено практически только силами трения.

Стокс установил, что сила сопротивления  в этом случае пропорциональна коэффициенту динамической вязкости Ƞ, скорости υ и движения тела относительно жидкости и характерному размеру тела l:  F~ Ƞlυ (предполагается, что расстояние от тела до границ жидкости, например до стенок сосуда, значительно больше размеров тела). Коэффициент пропорциональности зависит от формы тела. Для шара, если в качестве l взять радиус шара r, коэффициент пропорциональности оказывается равным 6π. Следовательно, сила сопротивления движению шарика в жидкостях при небольших скоростях в соответствии с формулой Стокса равна

Подъемная сила. Для возникновения  подъемной силы вязкость жидкости не имеет существенного значения. На рис. 78.5 показаны линии тока при обтекании  идеальной жидкостью полуцилиндра. Вследствие полного обтекания линии тока будут симметричны относительно прямой CD. Однако относительно прямой АВ картина будет несимметричной. Линии тока сгущаются вблизи точки С, поэтому давление здесь будет меньше, чем вблизи точки D, и возникает подъемная сила Р. Аналогичным образом возникает подъемная сила и в вязкой жидкости.

Силой, поддерживающей самолет  в воздухе, служит подъемная сила, действующая на его крылья.

 

Лобовое сопротивление  играет при полете самолета вредную роль. Поэтому крыльям самолета и его фюзеляжу придают хорошо обтекаемую форму. Профиль крыла должен вместе с тем обеспечивать достаточную по величине подъемную силу. Оптимальным для крыла является показанный на рис. 78.6 профиль, найденный великим русским ученым Н. Е. Жуковским (1847—1921). Трудами Жуковского и его ученика С. А. Чаплыгина было положено начало современной аэродинамике. В. И. Ленин назвал Жуковского отцом русской авиации. Жуковский, в частности, вывел формулу для определения подъемной силы, являющуюся основой всех аэродинамических расчетов самолетов.

 

Заключение.

 

 

Гидродинамика - раздел гидравлики, в  котором изучаются законы движения несжимаемой жидкости и её взаимодействие с неподвижными и подвижными поверхностями. С точки зрения механики, жидкостью называется вещество, у которого в равновесии отсутствуют касательные напряжения. Жидкость обладает свойствами течь и принимать форму сосуда, в который оно наливается или принимать форму неподвижной или подвижной поверхности, через которую она проходит. Методами гидравлики можно исследовать также движение газов, если скорость этого движения значительно меньше скорости звука, так как при скорости движения газа, близкой к скорости звука или превышающей её, начинает играть заметную роль сжимаемость газа, где методы гидравлики уже неприменимы. Практические применения гидродинамики чрезвычайно разнообразны. Гидродинамикой пользуются при проектировании кораблей и самолётов, расчёте трубопроводов, насосов, гидротурбин и водосливных плотин, при исследовании морских течений и речных наносов, изучении фильтрации грунтовых вод и нефти в подземных месторождениях и так далее.

 

Основным законом гидродинамики  является закон неразрывности потока жидкости. Формулируется следующим образом: при установившемся движении жидкости произведение средней скорости движения на площадь живого сечения является величиной постоянной, т.е. υS= const.

 

Уравнение Даниила Бернулли, является фундаментальным уравнением гидродинамики. Оно связывает скорость и давление в потоке идеальной несжимаемой жидкости при установившемся течении. Бернулли уравнение выражает закон сохранения энергии движущейся жидкости. Широко применяется в гидравлике и технической гидродинамике.

 

Струя жидкости, вытекающая из отверстия в сосуде, уносит с собой за время Δt импульс ΔK=pSυv (p — плотность жидкости, S — площадь отверстия, v — скорость истечения струи). На реакции вытекающей струи газа основано действие реактивных двигателей и ракет

 

Явление внутреннего трения с макроскопической точки зрения связано с возникновением сил трения между слоями газа или жидкости, перемещающимися параллельно друг другу с различными по величине скоростями. Со стороны слоя, движущегося быстрее, на более медленно движущийся слой действует ускоряющая сила. Наоборот, медленно перемещающийся слой тормозит более быстро движущиеся слои газа. Силы трения, которые при этом возникают, направлены по касательной к поверхности соприкосновения слоев.

 

Все течения жидкости и газа качественно разделяются  на 2 режима – ламинарный и турбулентный.

Ламинарное течение (lamina – пластинка, полоска) – это упорядоченное плавное течение жидкости, при котором жидкость перемещается как бы слоями, параллельными направлению течения (например – стенкам цилиндрической трубы), не перемешиваясь. Эти течения наблюдаются или у очень вязких жидкостей, или при малых скоростях течения, а также при течениях в узких трубках или при обтекании тел малых размеров.

При турбулентном течении (turbulentus – беспорядочный, вихревой) частицы жидкости совершают неустановившиеся движения по сложным траекториям, что приводит к интенсивному перемешиванию между слоями жидкости.

 

Одной из важнейших задач аэро- и гидродинамики является исследование движения твердых тел в газе и  жидкости, в частности изучение тех  сил, с которыми среда действует на движущееся тело. 

На тело, движущееся в жидкости или газе, действуют две силы,одна из которых (R_x) направлена в сторону, противоположную движению тела (в сторону потока), — лобовое сопротивление, а вторая (R_y) перпендикулярна этому направлению —подъемная сила

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

 

1. Савельев И. В. Курс общей физики, т. 1. Механика. Молекулярная физика: Учебное пособие.— 2-е изд., перераб.—М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982.— 432 с.
2. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: Учебное пособие. В 10 т. Т. VI. Гидродинамика. — 3-е изд., перераб. —М.: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит., 1986. — 736 с.
3. Бутиков Е.И. Кондратьев А.С. Физика для углубленного изучения,  т. 1. Механика. - М.: Физматлит, 2004. – 352 с.
4. Фабрикант Н.Я. Аэродинамика [Text] / Фабрикант Н.Я. - М.Л. : Гостехиздат, 1949 - .Ч.1. - 623 с.
5. Биркгоф Г. Гидродинамика. Методы. Факты. Пособия - Под ред. М.И. Гуревича и В.А. Смирнова. - М.: Издательство иностранной литературы. - 1963 - 244с.
6. Валландер С.В. Лекции по гидроаэромеханике / С. В. Валландер. - Л. : ЛГУ, 1978. - 296