Вихревое сопротивление

ВИХРЕВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ВОДЫ. При движении к.-л. тела в воде, напр. пластинки, впереди него возникает область повышенного давления (рис. 1, обозначено+). Повышение давления тормозит движение тела. Струи воды, обогнув пластинку, срываются и образуют вихри, в результате чего позади пластинки создается пониженное давление, или разрежение (рис. 1, обозначено —). Это понижение давления также препятствует движению пластинки, т. к. пластинка как бы засасывается назад. Эти две тормозящие силы суммарно и составляют В. с. в. Сила В. с. в. Л определяется разностью между повышенным давлением впереди движущегося тела и пониженным давлением позади него. Эта разность давления возрастает с увеличением скорости движения тела в воде. Если на передней стороне пластинки сделать насадку, как изображено на рис. 2, то впереди движущегося тела такой формы повышение давления будет меньше, по сравнению с тем, как это было при движении пластинки. Если же сделать насадку и на задней стороне пластинки, то тело примет форму, показанную на рис. 3, при к-рой струи воды будут плавно обтекать тело, завихрения станут незначительными, и сопротивление воды, по сравнению с сопротивлением, возникающим при движении в воде круглой пластинки того же диаметра, уменьшится в 25—30 раз, в том случае, конечно, если скорости перемещения тел будут равны. Экспериментальные исследования показали, что наименьшее сопротивление оказывают тела обтекаемой формы, у к-рых соотношение диаметра к их длине колеблется в пределах от 1/₃ до 1/₆.

При плавании кролем тело пловца имеет более обтекаемую форму а встречает меньшее сопротивление воды, чем при плавании брассом или на боку, когда ноги подтягиваются к туловищу. Понятно, что пловец с узким тазом и длинными тонкими ногами с хорошо вытягивающимися носками, т. е. приближающийся к форме удлиненной капли, имеет преимущество перед пловцом с массивными короткими ногами и широким тазом. При старте и отталкивании от стенки бассейна после поворота пловцы сильно вытягивают носки ног для того, чтобы придать своему телу более обтекаемую форму, уменьшить сопротивление воды. Излишний прогиб в пояснице вызывает увеличение В. с. в.

Максимальное сопротивление оказывает вода телу, имеющему форму полого полушара, когда этот полушар движется открытой стороной вперед. По сравнению с пластинкой того же диаметра полый полушар встречает сопротивление воды в 1,5 раза большее. Именно поэтому квалифицированные пловцы, чтобы создать лучшую опору о воду, гребут не плоско поставленной ладонью («дощечкой»), а округляют ладонь («лодочкой»), приближая ее к форме полого полушара.

Подъёмная сила — составляющая полной аэродинамической силы, перпендикулярная вектору скорости движения тела в потоке жидкости или газа, возникающая в результате несимметричности обтекания тела потоком. В соответствии с законом Бернулли, статическое давление среды в тех областях, где скорость потока более высока, будет ниже, и наоборот. Например, крыло самолета имеет несимметричный профиль (верхняя часть крыла более выпуклая), вследствие чего скорость потока по верхней кромке крыла будет выше, чем над нижней. Создавшаяся разница давлений и порождает подъёмную силу. Полная аэродинамическая сила — это интеграл от давления вокруг контура крыла.

где:

§ Y — это подъёмная сила,

§ P — это тяга,

§ — граница профиля,

§ p — величина давления,

§ n — нормаль к профилю

Согласно теореме Жуковского, величина подъёмной силы пропорциональна плотности среды, скорости потока и циркуляции скорости потока.

ПОДЪЕМНАЯ СИЛА - сила, перпендикулярная вектору скорости движения центра тяжести тела, возникающая вследствие несимметрии обтекания тела потоком жидкости (газа). В двумерной модели движения крыла в идеальной и несжимаемой жидкости (рис. 1) несимметричное движение жидкости у границ крыла можно представить как сумму поступат. движения со скоростью v и циркуляц. движения интенсивностью Г. В суммарном течении при выбранном направлении циркуляции скорость у ниж. границы профиля будет меньше, а давление больше, чем у верхней (см. Бернулли уравнение).Интеграл от давления по контуру профиля крыла даст П. с. Y, перпендикулярную скорости набегающего потока v. П. с. Y будет зависеть от величины циркуляции скорости Г и, согласно Жуковского теореме, для участка крыла длиной L (вдоль размаха) где - плотность среды.

Поскольку Г имеет размерность [ vl ] ([ l ] - размерность длины), то П. с. можно выразить равенством где S - величина характерной для тела площади (напр., площадь крыла в плане, равная Lb, если b - длина хорды профиля крыла), С_у - безразмерный коэф. П. с., зависящий в общем случае от формы тела, его ориентации в среде и чисел Рейнольдса Re и Маха М. Значение С_у определяют теоретич. расчётом или экспериментально. Так, согласно теории Жуковского, для крыла бесконечного размаха в плоскопараллельном потоке при небольших углах атаки где - угол атаки (угол между направлением скорости набегающего потока и хордой крыла), - угол атаки при нулевой П. с., m - коэф., зависящий только от формы профиля крыла, напр. для тонкой слабоизогнутой пластины т = . В случае крыла конечного размаха L коэф. т = где = L / b - удлинение крыла. Методы вычисления П. с. обобщены на случай обтекания решётки профилей и используются при расчёте лопаточных машин (насосов, компрессоров и турбин).
В реальной жидкости в результате влияния вязкости величина т меньше теоретической, причём эта разница возрастает по мере увеличения относит. толщины профиля; значение угла также меньше теоретического. Кроме того, с увеличением угла зависимость С_у от (рис. 2) перестаёт быть линейной и величина dC_y/ монотонно убывает, становясь равной нулю при угле атаки к-рому соответствует макс. величина коэф. П. с. С_умакс. Дальнейшее увеличение ведёт к падению Су вследствие отрыва пограничного слоя от верх. поверхности крыла и возрастания давления на ней. Величина С_умакс имеет существ. значение, т. к. чем она больше, тем меньше скорость взлёта и посадки самолёта.

При больших, но докритич. скоростях, т. е. таких, для к-рых М < М _кр (М _кр - значение числа М набегающего потока, при к-ром вблизи поверхности профиля местные значения числа М = 1), становится существенной сжимаемость газа. Для слабопзогнутых и тонких профилей при малых сжимаемость можно приближённо учесть, положив

При сверхзвуковых скоростях характер обтекания существенно меняется. Так, при обтекании плоской пластины идеальным сжимаемым газом у её передней кромки на верх. поверхности образуются волны разрежения, а на нижней - ударная волна (рис. 3). В результате давление р_н на ниж. поверхности пластины становится больше, чем на верхней (р_в); возникает суммарная сила, нормальная к поверхности пластины, составляющая к-рой, перпендикулярная к скорости набегающего потока, и есть П. с. Для малых М > 1 и малых П. с. пластины может быть вычислена по ф-ле С_у= Эта ф-ла справедлива и для тонких профилей произвольной формы с острой передней кромкой.

Описание

Подъемная сила, составляющая полной силы давления жидкой или газообразной среды на движущееся в ней тело, направленная перпендикулярно к скорости тела (к скорости центра тяжести тела, если оно движется непоступательно). Возникает подъемная сила вследствие несимметрии обтекания тела.

ЛИТЕРАТУРА

6. Гордон, С.М. Техника спортивных способов плавания / С.М. Гордон. - М.: Советский спорт, 1968

7. Мосунов, Д.Ф. Резонансный метод тренировки пловца / Д.Ф. Мосунов, И.Л. Тверяков, И.В. Клешнев // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Паралимпийское плавание. Гидрореабилитация», 7-10 декабря 2008 года / ФГОУВПО «НГУ им. П.Ф. Лесгафта, Санкт-Петербург», ООИ «Плавин». - СПб., 2009

8. Мосунов, Д.Ф. Использование попутного потока воды за рукой при плавании // Вопросы совершенствования техники плавания и методики спортивной тренировки пловца: сб. науч.-метод. работ по водным видам спорта / Гос. ин-т физ. культуры им. П.Ф. Лесгафта. - Л., 1972

9. Мосунов, Д.Ф. Дидактические основы совершенствования двигательных действий спортсмена (на примере плавания): дис.... д-ра пед. наук / Мосунов Д.Ф. -СПб., 1992

10. Першин, С.В. Основы гидробионики / С.В. Першин, Д.Ф. Мосунов. - Л.: Судостроение, 1988