Categories
Наука Образование

Основи на аеродинамиката или защо летят самолетите

Една от най-древните мечти на човека е да полети волно като птица. Само че от създаването на легендата за Дедал и Икар до първия успешен полет на братя Райт ни делят няколко хилядолетия. Причината за това е тривиална – да полетиш (и да кацнеш невредим!) хич не е проста задача, независимо колко лесно изглежда, като гледаме птиците. Историята показва, че контролираният полет на хора е невъзможен без добре да се познават законите на механиката на флуидите и в частност на въздушния й клон – аеродинамиката. А тези клонове от физиката винаги са били и си остават и до ден-днешен едни от най-трудните за усвояване и анализиране. В тази статия ще се опитаме да ви дадем бегла представа за главните принципи, залегнали в аеродинамиката, принципи, върху които се основава полета на всяко едно летателно средство без ракетите.

 

Важни свойства на въздуха


 

Движението на въздуха е предметът, който изучава аеродинамиката. Въздухът е газообразен флуид, съставен от молекули, които непрекъснато се движат хаотично насам-натам поради топлинната енергия, която получават предимно от Слънцето. Аеродинамиката не се интересува от това и не се занимава със строежа на въздуха или блуждаещите му молекули. Тя разглежда въздуха като непрекъснато вещество, не отчитайки дискретния му характер.

Всичкитe физически проявления на молекулите се отчитат чрез други свойства, най-важните от които са:

Инертност – това е аеродинамичното проявление на  Първия закон на Нютон. Въздухът се съпротивлява на изменението на състоянието си и предпочита да си остане в покой, ако досега е бил в покой, или да се движи, ако досега се е движел. И точно както в Нютоновата механика масата на телата е мярка за тяхната инертност, в случая на флуидите показател за инертността им е масовата плътност. Колкото по-плътен е въздухът, толкова по-инертен е.

Вискозитет – или по народному гъстота. Най-просто казано вискозитетът е мярка за триене между различните слоеве на флуидите. Проявява се, когато има разлика между скоростта на два съседни слоя флуид или между флуид и твърдо тяло. Стремежът е скоростите да се уеднаквят. Защо? Класическата аеродинамика мълчи по този въпрос, но за разлика от нея ние знаем за съществуването на молекулите. Фактът, че те прескачат от един слой в друг е причина за съществуването на вискозитета. Това е и причината с увеличаване на температурата, вискозитетът на газовете да се увеличава. Течностите пък се държат наопаки – колкото по-горещо е, толкова по-нисък е вискозитетът им.

Свиваемост – за разлика от течностите, въздухът може да променя обема си, при което се променят и плътността, и температурата му.Установено е, че въздухът е толкова по-свиваем, колкото по-ниска е скоростта на звуковите вълни в него. А скоростта на звука също не е константа – тя пък се влияе от температурата и намалява с увеличаване на височината и намаляване на температурата, следвайки температурния профил на атмосферата. Звучи малко абстрактно, но свиваемостта на въздуха всъщност играе важнo практическо значение за полета на летателните апарати. Ако скоростта на летателният апарат е много по-малка от скоростта на звука във въздуха, който го обтича, то свиваемостта му може да се пренебрегне. Силите, въздействащи на летателния апарат в този случай, се определят по сравнително простички формули.Но ако скоростта на апарата доближава скоростта на звука, ефектите от свиваемостта не могат да не се отчетат и простичките формули се нуждаят от поправъчни коефициенти. Мерило за свиваемостта е един безразмерен коефициент, известен като число на Мах (М) и определящ се като М=V/a , където V e скоростта на летателния апарат, а а – скоростта на звука. Изследванията показват, че при М < 0,4 свиваемостта може да се
пренебрегне.

 

Стационарен въздух


Преди да раздвижим въздуха, нека прескочим към аеростатиката и да разгледаме една стационарна въздушна маса. От гледна точка на въздухоплаването най-интересното, което може да се каже за нея, е законът на Архимед. На всяко тяло „потопено“ в атмосферата, включително и на вашето собствено тяло ей сега в момента, му действа Архимедова сила, пропорционална на изтласкания от тялото въздух и стремяща се да го издигне нагоре. Количествено тази сила може да се определи като: F = ρgV, където ρ е плътността на въздуха, g e земното ускорение, а V е обемът на тялото.Така ако приемем, че тялото ви заема обем от 0,0664 m^2, и пренебрегнем въздуха, съдържащ се в него,то при средна плътност на въздуха от 1,2 kg/m^3 на морското равнище, вас се опитва да ви издигне сила с размер от около 0,8 N. Или иначе казано, когато следващият път застанете на кантара, имайте предвид, че сте с 80 грама по-тежки от онова, което виждате на скáлата.

Условието да излетите е Архимедовата сила да е по-голяма от силата на теглото или: ρgV > mg. Тъй като m = ρ1*V , където ρ1 е плътността на тялото, то условието за излитане може да се сведе доρ > ρ1. Това е причината да летят балоните, разполагащи с големи обеми, пълни с по-лек от въздуха газ (горещ въздух, хелий, водород или метан).

 

Нестационарен въздух


Както винаги картинката става много по-интересна, когато нещата се раздвижат.При това няма значение кои точно неща са се раздвижили, т.е. дали дадено тяло се движи спрямо въздуха или въздухът го обдухва, или и въздухът, и тялото се движат едновременно. В аеродинамиката движението е относително и за удобство независимо от реалната ситуация винаги се разглежда движението на въздушен поток, обтичащ неподвижно тяло. Затова в авиацията се срещат термини от сорта на „въздушна скорост“, въпреки че всъщност въздухът е неподвижен, а в него се движи летателният апарат.

Движещият се въздушен поток е нещо много сложно за математическа интерпретация. Движението му в най-простия случай се описва от система частни диференциални уравнения, известни като уравнения на Навие-Стокс, които отчитат нормалните напрежения в потока от налягането на въздуха и тангенциалните напрежения от вискозното триене. Реалната ситуация обаче е доста по-комплицирана, тъй като вискозитетът от своя страна зависи от температурата, а при отчитане на свиваемостта е необходимо да се знае и как се изменя плътността… В цялата си красота уравненията на Навие-Стокс излглеждат по този симпатичен начин:

 

 

Практически тези уравнения са с прекалено много неизвестни и са нерешими аналитически. Затова сред известни опростявания въз основа на тях се изготвят модели на въздушни потоци, с които всъщност се работи. Какви точно са тия модели няма да задълбаваме, за да не оплетем конците, най-важното е да разберете, че има два основни типа въздушни (и изобщо флуидни) течения – ламинарни и турбулентни.

  • Ламинарно течение – Ако разгледаме движението на някакви частици в течението, техните траектории (наричат се токови линии) винаги остават успоредни една на друга, подобно на силовите линии, описващи електростатичното поле между два плоски електрода. Ако течението обтича някакво препятствие (например сфера), то токовите линии плавно заобикалят сферата, не се пресичат и след нея отново стават успоредни една на друга. С други думи течението е слоисто и неговите слоеве не се смесват.

Пример за водно ламинарно течение. Снимка: flikr.com/photos/localsurfer/2431850641

  • Турбулентно течение – вихрово течение, в което частиците непрекъснато променят посоката си на движение и скоростта си, смесват се и изобщо се държат хаотично. При обтичане на препятствие се образуват завихряния около него.

Пример за водно турбулентно течение. Снимка: flikr.com/photos/localsurfer/2431850641

Ламинарните и турбулентните течения са взаимно свързани – едно течение може да стане от ламинарно турбулентно и обратно. Критерият, който определя дали течението е ламинарно или турбулентно, е известен като критерий на Рейнолдс и заема централно място в хидро и аеродинамиката. Та критерият на този Рейнолдс е съотношение на инерциалните сили в едно течение към вискозните сили (триенето) на това течение. При ниски стойности на това съотношение (голям вискозитет, ниска плътност и скорост, малък изминат път от течeнието), течението е ламинарно. При високи – турбулентно. Чудесна илюстрация на критерия на Рейнолдс е димящата цигара. В началото димът от цигарата се издига като тънка нишка и течението му е ламинарно. В дадена точка (на около 10cm от цигарата) димът внезапно се „накъдря” в бели кълба, т.е. течението му става турбулентно. Какво се случва? Докато димът се издига числото на Рейнолдс също се увеличава с изминатото разстояние. В момента на турбулизиране числото на Рейнолдс достига критична стойност, бележеща преминаването на ламинарния поток в турбулентен.

Малко се поувлякохме в темата, но няма как иначе – въпросът за вида на теченията е наистина от първостепенно значение за аеродинамиката. Ламинарното течение е склонно да се завихря при обтичането на обекти, ако рязко се промени скоростта му и се създадат условия инерцията на въздуха да надделее над вискозитета му, който образно казано осигурява „прилепчивостта“ на въздуха около формата на обекта. От гледна точка на летателните апарати турбулентното обтичане води до поява на въздушно съпротивление, намаляване на подемната сила и влошаване на устойчивостта на полета. Но за това – по-нататък.

 Пример за турбулизаране (оранжевото оцветяване) на ламинарен въздушен поток (зеленото оцветяване) при обтичане на физически обекти.

Флуид в тръба


Нека имаме течение (няма значение дали турбулентно или ламинарно) и го вкараме в една тръба с променливо напречно сечение – например стесняваща се в изхода си. За да обогатим общата ви култура, ще кажем, че такава една тръба е известна в съответните среди като тръба на Вентури.  Та докато протича през нея флуидът проявява едно забележително свойство, което е залегнало в основата на дизайна на реактивните двигатели и соплата. Течението се забързва в стеснения участък спрямо скоростта, която има там, където тръбата е широка. Оказва се, че произведението на скоростта на течението по сечението на тръбата винаги е константа. Това е причината речни бързеи да се образуват там, където коритото на реката е тясно.

 Тръба на Вентури. Изображение: http://www.solitaryroad.com/

Така че, ако искаме да променим скоростта на флуид е достатъчно да променим сечението, през което протича. При което освен скоростта ще се промени и налягането на течението. И като стана дума за налягане…

Закон на Бернули


Друг ключов елемент от аеродинамиката е т. нар. уравнение на Бернули, изведено на базата на Закона за запазване на енергията и приложено за енергията на една токова линия от течението.Енергията на течението в случая се отчита чрез налягането му, което се оказва, че е съставено от три части:

  • динамично налягане (или скоростен напор) – налягането, което изпитва една твърда повърхност, поставена перпендикулярно на течението;
  • статично налягане –  налягането, което оказва флуидът равномерно във всички посоки. Ако разглеждаме атмосферата, в този случай статичното налягане е известно като атмосферно;
  • налягане от разликата във височината – ако течението започва от някаква по-висока точка спрямо тази, в която мерим налягането, то имаме и налягане, пропорционално на разликата от височините.

В най-простия си вид уравнението на Бернули разглежда несвиваем невискозен флуид, при което то приема следния елементарен вид:


Тук първият член е динамичното налягане (ρ e плътността на флуида, V е скоростта му), вторият е статичното налягане (р), а третият – налягането от разликата във височините (g e земното ускорение, h – разликата във височините). В аеродинамиката третият член често се пренебрегва, тъй като е с много малка стойност поради малката плътност на въздушните маси и малката промяна на височината на две точки от течението при практическите случаи (разглеждат се основно хоризонтални течения). Тоест, законът на Бернули може да се изрази простичко като:

 ,,Сумата на динамичното и статичното налягане не се изменя в никоя точка от течението.“

Когато увеличаваме скоростта на въздуха, ние намаляваме статичното му налягане, а ако липсва движение, въздухът притежава единствено статично налягане. Съществува лесен експеримент за проверката на този толкова важен принцип, който можем да си направим в домашни условия. Вземете два листа хартия, доближете ги близо един срещу друг и духайте в пространството между тях. Здравата ежедневна логика ни подсказва, че листовете ще се раздалечат един от друг, но в някои случаи като този тя не струва пет пари. Най-добре пробвайте сами, за да се убедите в правотата на Бернули.

И защо летят самолетите?


Самолетите могат да тежат някоклостотин тона и на въпроса как подобни гиганти изобщо отлепят от земята, повярвайте ми, никак не е лесно да се отговори. Принципът на Бернули е набъркан тук, но той е само част от решението на задачата. Добра изходна точка при всички случаи е да разгледаме силите, които действат на един самолет в полет. Те са три:

    • Сила на теглото – правопропорционална на масата на самолета;
    • Теглителна сила – теглителната сила на самолетите се създава от двигатели. Предназначението й е двояко – от една страна теглителната сила движи самолета натам, накъдето сме тръгнали, от друга страна тя води до появата на аеродинамична сила.
    • Аеродинамичната сила се появява, когато самолетът се обтича от движещ се въздух или когато той се движи във въздушна среда. Основната част от аеродинамичната сила идва от обтичането на главния носещ елемент от конструкцията на самолета – неговото крило (в специализираната литература лявото и дясното крило на самолета се разглеждат като едно общо крило, а когато се говори за едно от тях се използва понятието полукрило). Ако представим аеродинамичната сила като вектор, той винаги е насочен нагоре и назад, т.е. тази сила условно се разделя на две сили. Проекцията на вектора в хоризонтала, насочена право назад, е прието да се нарича сила на челно съпротивление. Проекцията на аеродинамичната сила, насочена нагоре, се нарича подемна сила.

За да излети един летателен апарат, е необходимо подемната му сила да е по-голяма от силата на теглото. Тази подемна сила, както казахме, я осигурява крилото и то по два начина.

  1. Ако разгледаме едно стандартно сеченеие на крило (нарича се профил на крилото), ще открием, че горната му повърхност е изкривена (изпъкнала) за разлика от долната. Сега нека пуснем въздух да обтича предния ръб на крилото. Той ще трябва да обтече доната повърхност на крилото за същото време, за което обтича и горната повърхност. Само че горната повърхност е по-крива от доната, тоест пътят който трябва да измине въздухът отгоре е по-голям и следователно скоростта му също е по-голяма от тази на въздуха, обтичащ долната повърхост. Или казано иначе динамичното налягане на „горния“ въздух е по-голямо от динамичното налягане на „долния“ въздух. Следите ли ми мисълта? Ами довършете я де! За да е изпълнен постулатът на Бернули, следва, че статичното налягане на въздуха върху долната повърхност е по-високо от статичното налягане върху горната повърхност. Резултатът в крайна сметка е, че разликата в наляганията води до сила която бута крилото отдолу. Подемна сила.

    Разликата в скоростите на въздуха под и над крилото води до появата на аеродинамична сила, насочена „нагоре“.

  2. Подемната сила, която се създава по описания по-горе начин, не е твърде голяма. Тя може да се увеличи количествено като се увеличи кривината на профила обаче при това той става по-дебел и съответно създава ужасно много челно съпротивление. Подобно крило е подходящо за малки, бавни самолети, но е почти неприложимо за съвременните самолети, движещи със скорости, близки до тези на звука, а още по-малко за свръхзвуковите самолети. Практически профилите на крилата на бързите самолети са близки до симетричните (кривината на долния и горния контур е една и съща) и дори са с отрицателна кривина – т.е. подемната им сила е насочена надолу.

     Профил на крило и основни негови параметри.

    За да летят, тези самолети разчитат на много по-елементарен принцип. Те променят ъгъла, сключен между линията свързваща предния и задния ръб на профила на крилото (нарича се хорда) и обтичащият крилото поток. Нормално този ъгъл (нарича се ъгъл на атака) е 0 градуса и въздухът заобикаля крилото успоредно на хордата, създавайки единствено ефектите на Бернули. Когато обаче ъгълът на атака се увеличи  с няколко градуса, въздушният поток вече не е успореден на хордата, а се бута в долната повърхност и за да я обтече променя посоката си. Сега освен Бернули се появява и още един ефект – Третия закон на Нютон, според който всяко действие има равно по-големина и обратно по посока противодействие. В случая потокът се отклонява от крилото надолу и противодействието, приложено в него, е насочено нагоре. Така получихме още една подемна сила.

На тази анимация виждате профил на крило, отклонен на положителен ъгъл на атака. Освен ефекта на Бернули, тук вече е намесен и  закона за равнодействието. Виждате как посоката на потока се отклонява от профила и това води до повишаване на налягането в долния контур на профила (тъмно синьото). Изображение: https://www.physicsforums.com/insights/airplane-wing-work-primer-lift/

Заключение


Аеродинамиката е мъчна наука, в която взаимно се преплитат много ефекти. Това е положението. Тук се опитахме да изложим свръхопростено някои нейни базови постулати и пак се получи нелека статия. Никак не е случайно, че първите успешни самолети са изработени чак в ХХ век, само няколко десетилетия преди компютрите. Принципите, върху които почива полета им, са сложни и е невъзможно да бъдат разгледани набързо. Сега само ще вметна, че задачата за баланса на силите в полет, за постигането на устойчив и управляем полет е също толкова важна, ако не и по-важна от задачата за генериране на подемна сила. Но с това ще се занимаем друг път.

Още за аеродинамиката:

Динамика на полета – аеродинамични моменти

Въздушно съпротивление в аеродинамиката

Да изпревариш звука…

Координатни системи и сили в аеродинамиката

Categories
Наука Образование

Колко далеч е краят на Вселената?

Вселената е голяма. Наистина голяма. Просто няма да повярвате колко изключително невероятно невъобразимо голяма е тя“

Categories
Наука

Конспирацията кемтрейлс

Конспиративната теория за кемтрейлс е класически пример за това как свободното споделяне на информация между хората спомага създаването на масови психози.

Categories
Наука Прогрес

Розета – история за комети и тяхното изследване

Нощта на 12-ти септември, 1969 година. 24-годишната Светлана Герасименко, току-що дипломиран астроном, наблюдава и снима звездното небе над Алма Ата, столица на тогавашната Казахска ССР, като идеята й е да локализира видими по това време комети.

Categories
Наука Образование

Сензационите научни новини в медиите

Всеки, който се интересува от наука и следи новините свързани с наука в различни вестници, списания, електронни медии, поне веднъж е попадал на сензационна новина за велико откритие. Би било прекрасно, ако големите научни открития се случваха толкова често и лесно, което би означавало много по-интензивен технологичен прогрес за човечеството. Но за наше съжаление, нещата стоят по съвсем различен начин.

Наука е познанието и изучаването на заобикалящия ни свят чрез факти, получени от експерименти и наблюдения1. Науката трябва да бъде максимално обективна и затова към експериментите и наблюденията има изисквания, основните от които са към използваните експериментални методи, техника и точност. Резултатите трябва да бъдат получени от многократни измервания, за да се възприемат за научни факти. След което следва тълкуването и обяснението на тези факти, още наречено разработване на теории.

С развитието на технологиите, експерименталните методи и техники също се променят, разработват се нови, и точността им непрекъснато се повишава. В резултат се получават по-точни и понякога нови, и различни резултати, които от своя страна водят до развитие на нови теории. По този начин науката се самокоригира и типичен пример за този процес е класическата гравитация на Нютон, и общата теория на относителност, чийто ефект е забелязан чак след около 200 години и обяснен след още около 50 години. Както виждаме, доста време е било необходимо за едно от ключовите открития на 20-ти век и по него са работили множество учени в продължение на близо половин век. Съвременната наука изисква международни колаборации от големи групи учени, например който и да е от експериментите в CERN, чийто анализ на получените данни отнема няколко години (положението е аналогично и с получените снимки от космическия телескоп “Хъбъл”).

Нашето разглеждане няма да е пълно, ако не споменем и необходимото време за подготовка на един средностатистически учен. Това време е около 5 години студентство и още 3 години за придобиване на докторска степен, което прави общо 8 години обучение.

След всичко изписано дотук, как да разберем доколко поредната новина в секция “Наука” е близо до истината и колко е плод на фантазия, преувеличение, или дори фалшификация от страна на журналисти, преводачи и/или редактори?

Еднозначен отговор на този въпрос е много трудно, ако не и почти невъзможно да се даде. Целта на тази статия е да ви даде реална представа за науката и нейните основни принципи. Тази реална представа би трябвало да ви помогне в намирането на отговора на поставения въпрос по-горе.

Ще завършим с един пример от 2011 година, който вероятно помните – експериментът OPERA, чийто екип бе измерил скорост на елементарна частица неутрино много малко по-висока от скоростта на светлината. Нека погледнем как се отразява тази новина в две различни медии – The Guardian (тук) и списание Българска наука (тук).

Новината за резултатите от експеримента OPERA през 2011 година – ляво „The Guardian“, дясно списание „Българска наука“ (снимката се отваря в нов прозорец увеличена)

1. Първо да погледнем авторите и заглавията на статиите – Ian Sample, science correspondent (научен кореспондент) със заглавие “Faster than light particles found, claim scientists” (“Учени твърдят, че са открили частици по-бързи от частиците на светлината”) за The Guardian и неизвестно кой/я със заглавие “Скоростта на светлината е изпреварена?!?” за списание Българска наука.

2. В подзаглавието и началото на статията си Ian Sample обяснява накратко къде експеримент и теория си противоречат, докато неизвестният/ата от списание “Българска наука” започва статията си с: “Световните научни и масови медии съобщават …”.

3. Ian Sample дава директна препратка (връзка) към публикуваната научна статия (в четвъртия параграф), докато неизвестният/ата развива хипотетични сценарии какво би се случило, ако… в първия си абзац.

Можете да продължите със сравнението, макар и вече да е очевидно къде се залага повече на сензацията, отколкото на самото научно откритие.

За любопитните от вас ще напиша и развръзката на историята. Две причини са били намерени за този аномален резултат, получен от OPERA – незавит докрая оптичен кабел, който служи за времеизмерване и неправилно времево калибриране на лазерен импулс. Публикуването на тези резултати без да бъдат направени необходимите проверки коства научните репутации и позиции на ръководителите на експеримента2.

Categories
Наука Образование

Цветът на Слънцето

Ако някой направи списък с най-разпространените заблуди сред хората, то твърдението, че Слънцето е жълто, със сигурност ще влезе в топ 10.

Categories
Наука Образование Технологии

Ракетите: II част – конструктивни особености

В предишната си статия за ракетите ви запознах с физиката на ракетното движение, така че сега би трябвало да ви се е изяснило, поне донякъде, кое кара ракетата да лети. Днес ще се спрем на някой от характерните особености на ракетите от конструктивна гледна точка. Или с други думи – какво трябва да има една ракета, за да бъде ракета.

Categories
Наука

HAARP – факти и измислици

Машина за земетресения, средство за предизвикване на бури или космическо оръжие – едва ли авангардният американски научен комплекс HAARP би могъл да бъде забъркан в повече конспиративни теории. Но има ли нещо вярно в тях и какво всъщност прави HAARP?

Categories
Наука Образование

Ракетите: І част – физика на ракетното движение

“It’s not rocket science” е стандартният израз, когато англоезичните искат да кажат, че нещо си е лесно. За разлика от науката за ракетите, която явно не е. Дали това е вярно ще прецените сами, прочитайки първата от поредицата ни публикации, в които ще ви запознаваме с основните принципи, използвани при конструирането на ракети.

Categories
Наука Прогрес Технологии

Животни астронавти – Биологически изследвания в космоса „Бион-М1“

Животни астронавти – един „малък“ екипаж от мишки ,  гекони , както и  близо 100 различни живи организми

Credit: Институт по биомедицински проблеми на Руската академия на науките

и семена на растения..
„Бион-М1” е първият от 2007 година руски апарат за биологически изследвания в космоса  при условия на микрогравитация  на космически кораб .

Космическият  летателен апарат „Бион-М“ е създаден в Държавната SRP „TsSKB-Прогрес“ (Самара) в рамките на Федералната космическа програма и е предназначен за орбитален полет на фундаментални и приложни изследвания в космоса-  биология, физиология и биотехнология , и връщането на резултатите от експериментите  на Земята.

Credit:Руската федерална космическа агенция

Роботът космически кораб „Бион-М“ е единственият специализиран комплекс в света, които прави биологични експерименти чрез използване на гризачи, които могат да решат редица неотложни практически проблеми при изучаването на системни реакции на тялото (кости, мускули, сърдечно-съдовата система на нервната система), на действието на микрогравитацията  и изкуствената гравитация и комбинираният ефект на радиацията върху организма.

Животните астронавти се очаква да прекарат един месец в орбита на  около 575 км. над Земята , докато учените следят здравето на пътниците в капсулата .

Credit: TsENKI