Движение тел в жидкостях и газах

При движении тела в жидкости или газе на него со стороны окружающей среды действуют силы, сумму которых F можно разложить на две составляющие (рис. 12.19):

где Fсопр ~ составляющая, коллинеарная вектору скорости v тела и называемая силой сопротивления среды, Fi — составляющая, перпендикулярная к вектору скорости. В том случае, когда сила Fi направлена вверх, она называется подъемной силой. Сила сопротивления всегда направлена в сторону, противоположную скорости движения тела относительно среды.

Согласно принципу относительности Галилея силы, действующие на тело, не изменятся, если тело будет неподвижным, а среда будет двигаться с той же скоростью v, но в противоположном направлении. Эту идею используют при измерениях сил, действующих на тело, помещенное в аэродинамическую трубу, в которой мощными установками создается высокоскоростной поток воздуха.

Рис. 12.19. Сила сопротивления и подъемная сила.

На рис. 12.19 показаны линии тока жидкости, обтекающей длинный полуцилиндр. Как видно из этого рисунка, линии тока над полуцилиндром сгущаются. Поэтому здесь скорость течения жидкости больше, а давление меньше, чем в области под полуцилиндром. Разность давлений обусловливает подъемную силу.

На рис. 12.20 показаны линии тока жидкости, обтекающей длинный цилиндр. В этом случае расположение линий тока под цилиндром и над ним совершенно симметрично. Так же симметрично распределено давление в жидкости и на поверхности цилиндра. Поэтому при обтекании симметричного тела подъемная сила не возникает.

Рис. 12.20. Ламинарное течение.

Идеальная жидкость не оказывает сопротивления движению тела любой формы. Сила сопротивления действует на тело только, когда оно движется в вязкой жидкости. Тонкий слой вязкой жидкости, прилегающий к поверхности тела, движется вместе с ним. При удалении от поверхности движущегося тела скорость слоев жидкости уменьшается. Изменение скорости при переходе от одного слоя жидкости к другому обусловливает наличие сил трения, которые препятствуют движению тела.

Рис. 12.21. Турбулентное течение.

При достаточно больших значениях числа Рейнольдса движение жидкости, обтекающей тело, становится турбулентным (рис. 12.21). Жидкость позади тела как бы пытается от него оторваться. Поэтому здесь возникает область пониженного давления, в которой течение жидкости имеет беспорядочный вихревой характер. Разность давлений теперь обусловливает дополнительную силу, препятствующую движению тела.