Сила лобового сопротивления: Лобовое сопротивление (аэродинамика) | это… Что такое Лобовое сопротивление (аэродинамика)? — Шины для спецтехники, шины для погрузчика

Содержание

Лобовое сопротивление (аэродинамика) | это… Что такое Лобовое сопротивление (аэродинамика)?

Четыре силы, действующие на самолёт

Лобовое сопротивление — сила, препятствующая движению тел в жидкостях и газах. Лобовое сопротивления складывается из двух типов сил: сил касательного (тангенциального) трения, направленных вдоль поверхности тела, и сил давления, направленных по нормали к поверхности. Сила сопротивления является диссипативной силой и всегда направлена против вектора скорости тела в среде. Наряду с подъёмной силой является составляющей полной аэродинамической силы.

Сила лобового сопротивления обычно представляется в виде суммы двух составляющих: сопротивления при нулевой подъёмной силе и индуктивного сопротивления. Каждая составляющая характеризуется своим собственным безразмерным коэффициентом сопротивления и определённой зависимостью от скорости движения.

Лобовое сопротивление может способствовать как обледенению летательных аппаратов (при низких температурах воздуха), так и вызывать нагревание лобовых поверхностей ЛА при сверхзвуковых скоростях ударной ионизацией.

Поток и форма препятствия	Профильное сопротивление	Сопротивление обшивки
	0%	100%
	~10%	~90%
	~90%	~10%
	100%	0%

Траектории трёх объектов (угол запуска — 70°, Distance — расстояние, Height — высота). Чёрный объект не испытывает никакого сопротивления и движется по параболе, на голубой объект действует Закон Стокса, на зеленый объект — закон вязкости Ньютона

Содержание

1 Сопротивление при нулевой подъёмной силе
2 Индуктивное сопротивление
3 Суммарное сопротивление
4 См. также
5 Ссылки

Сопротивление при нулевой подъёмной силе

Последнее является существенным при движении с около- и сверхзвуковой скоростью, и вызвано образованием ударной волны, уносящей значительную долю энергии движения. Волновое сопротивление возникает при достижении самолётом скорости, соответствующей критическому числу Маха, когда часть потока, обтекающего крыло самолёта, приобретает сверхзвуковую скорость. Критическое число М тем больше, чем больше угол стреловидности крыла, чем более заострена передняя кромка крыла и чем оно тоньше.

Сила сопротивления направлена против скорости движения, её величина пропорциональна характерной площади S, плотности среды ρ и квадрату скорости V:

C_x0 — безразмерный аэродинамический коэффициент сопротивления, получается из критериев подобия, например, чисел Рейнольдса и Фруда в аэродинамике.

Определение характерной площади зависит от формы тела:

в простейшем случае (шар) — площадь поперечного сечения;
для крыльев и оперения — площадь крыла/оперения в плане;
для пропеллеров и несущих винтов вертолётов — либо площадь лопастей, либо ометаемая площадь винта;
для продолговатых тел вращения ориентированных вдоль потока (фюзеляж, оболочка дирижабля) — приведённая волюметрическая площадь, равная V^2/3, где V — объём тела.

Мощность, требуемая для преодоления данной составляющей силы лобового сопротивления, пропорциональна кубу скорости.

Индуктивное сопротивление

Индуктивное сопротивление (англ. lift-induced drag) — это следствие образования подъёмной силы на крыле конечного размаха. Несимметричное обтекание крыла приводит к тому, что поток воздуха сбегает с крыла под углом к набегающему на крыло потоку (т. н. скос потока). Таким образом, во время движения крыла происходит постоянное ускорение массы набегающего воздуха в направлении, перпендикулярном направлению полёта, и направленном вниз. Это ускорение во-первых сопровождается образованием подъёмной силы, а во-вторых — приводит к необходимости сообщать ускоряющемуся потоку кинетическую энергию. Количество кинетической энергии, необходимое для сообщения потоку скорости, перпендикулярной направлению полёта, и будет определять величину индуктивного сопротивления.

На величину индуктивного сопротивления оказывает влияние не только величина подъёмной силы, но и её распределение по размаху крыла. Минимальное значение индуктивного сопротивления достигается при эллиптическом распределении подъёмной силы по размаху. При проектировании крыла этого добиваются следующими методами:

выбором рациональной формы крыла в плане;
применением геометрической и аэродинамической крутки;
установкой вспомогательных поверхностей — вертикальных законцовок крыла.

Индуктивное сопротивление пропорционально квадрату подъёмной силы Y, и обратно пропорционально площади крыла S, его удлинению λ, плотности среды ρ и квадрату скорости V:

Таким образом, индуктивное сопротивление вносит существенный вклад при полёте на малой скорости (и, как следствие, на больших углах атаки). Оно также увеличивается при увеличении веса самолёта.

Суммарное сопротивление

Является суммой всех видов сил сопротивления:

X = X₀ + X_i

Так как сопротивление при нулевой подъёмной силе X₀ пропорционально квадрату скорости, а индуктивное X

_i — обратно пропорционально квадрату скорости, то они вносят разный вклад при разных скоростях.

С ростом скорости, X₀ растёт, а X_i — падает, и график зависимости суммарного сопротивления X от скорости («кривая потребной тяги») имеет минимум в точке пересечения кривых X₀ и X_i, при которой обе силы сопротивления равны по величине. При этой скорости самолёт обладает наименьшим сопротивлением при заданной подъёмной силе (равной весу), а значит наивысшим аэродинамическим качеством.

наибольшей продолжительности полёта (барражирования). Скорость, при которой достигается минимум отношения мощности (расхода топлива) к скорости полёта, является скоростью максимальной дальности полёта или крейсерской скоростью.

См. также

Эффект Бартини

Ссылки

Аэродинамическое сопротивление — статья из Большой советской энциклопедии
Аэродинамическое сопротивление — статья из Физической энциклопедии
Юрьев Б. Н. Экспериментальная аэродинамика. Часть II Индуктивное сопротивление, НКОП СССР, 1938, 275 с.

Силы, действующие на самолёт

Подъёмная сила • Вес • Тяга • Лобовое сопротивление

Лобовое сопротивление (аэродинамика) | это… Что такое Лобовое сопротивление (аэродинамика)?

Четыре силы, действующие на самолёт

Поток и форма препятствия	Профильное сопротивление	Сопротивление обшивки
	0%	100%
	~10%	~90%
	~90%	~10%
	100%	0%

Содержание

1 Сопротивление при нулевой подъёмной силе
2 Индуктивное сопротивление
3 Суммарное сопротивление
4 См. также
5 Ссылки

Сопротивление при нулевой подъёмной силе

Эта составляющая сопротивления не зависит от величины создаваемой подъёмной силы и складывается из профильного сопротивления крыла, сопротивления элементов конструкции самолёта, не вносящих вклад в подъёмную силу, и волнового сопротивления. Последнее является существенным при движении с около- и сверхзвуковой скоростью, и вызвано образованием ударной волны, уносящей значительную долю энергии движения. Волновое сопротивление возникает при достижении самолётом скорости, соответствующей критическому числу Маха, когда часть потока, обтекающего крыло самолёта, приобретает сверхзвуковую скорость. Критическое число М тем больше, чем больше угол стреловидности крыла, чем более заострена передняя кромка крыла и чем оно тоньше.

Определение характерной площади зависит от формы тела:

в простейшем случае (шар) — площадь поперечного сечения;
для крыльев и оперения — площадь крыла/оперения в плане;
для пропеллеров и несущих винтов вертолётов — либо площадь лопастей, либо ометаемая площадь винта;
для продолговатых тел вращения ориентированных вдоль потока (фюзеляж, оболочка дирижабля) — приведённая волюметрическая площадь, равная V^2/3, где V — объём тела.

Индуктивное сопротивление

выбором рациональной формы крыла в плане;
применением геометрической и аэродинамической крутки;
установкой вспомогательных поверхностей — вертикальных законцовок крыла.

Суммарное сопротивление

Является суммой всех видов сил сопротивления:

X = X₀ + X_i

Так как сопротивление при нулевой подъёмной силе X₀ пропорционально квадрату скорости, а индуктивное X_i — обратно пропорционально квадрату скорости, то они вносят разный вклад при разных скоростях. С ростом скорости, X₀ растёт, а X_i — падает, и график зависимости суммарного сопротивления X от скорости («кривая потребной тяги») имеет минимум в точке пересечения кривых X₀ и X_i, при которой обе силы сопротивления равны по величине. При этой скорости самолёт обладает наименьшим сопротивлением при заданной подъёмной силе (равной весу), а значит наивысшим аэродинамическим качеством.

Мощность, требуемая для преодоления силы паразитного сопротивления, пропорциональна кубу скорости, а мощность, требуемая для преодоления индуктивного сопротивления, обратно-пропорциональна скорости, поэтому суммарная мощность тоже имеет нелинейную зависимость от скорости. При некоторой скорости мощность (а значит и расход топлива) становится минимальной — это скорость наибольшей продолжительности полёта (барражирования). Скорость, при которой достигается минимум отношения мощности (расхода топлива) к скорости полёта, является скоростью максимальной дальности полёта или крейсерской скоростью.

См. также

Эффект Бартини

Ссылки

Аэродинамическое сопротивление — статья из Большой советской энциклопедии
Аэродинамическое сопротивление — статья из Физической энциклопедии
Юрьев Б. Н. Экспериментальная аэродинамика. Часть II Индуктивное сопротивление, НКОП СССР, 1938, 275 с.

Силы, действующие на самолёт

Подъёмная сила • Вес • Тяга • Лобовое сопротивление

Перетаскивание | гидромеханика | Британика

Развлечения и поп-культура
География и путешествия
Здоровье и медицина
Образ жизни и социальные вопросы
Литература
Философия и религия
Политика, право и правительство
Наука
Спорт и отдых
Технология
Изобразительное искусство
Всемирная история

Этот день в истории
Викторины
Подкасты
Словарь
Биографии
Резюме
Популярные вопросы
Инфографика
Демистификация
Списки
#WTFact
Товарищи
Галереи изображений
Прожектор
Форум
Один хороший факт

Развлечения и поп-культура
География и путешествия
Здоровье и медицина
Образ жизни и социальные вопросы
Литература
Философия и религия
Политика, право и правительство
Наука
Спорт и отдых
Технология
Изобразительное искусство
Всемирная история

Britannica объясняет
В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
Britannica Classics
Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
Demystified Videos
В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
#WTFact Видео
В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
На этот раз в истории
В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.

Студенческий портал
Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
Портал COVID-19
Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
100 женщин
Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
Спасение Земли
Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
SpaceNext50
Britannica представляет SpaceNext50. От полета на Луну до управления космосом — мы изучаем широкий спектр тем, которые питают наше любопытство к космосу!

Содержание

Введение

Краткие факты

Факты и сопутствующий контент

Гидромеханика | Определение, уравнения, типы и факты

дифференциальный манометр, барометр Торричелла и сифон

См. все средства массовой информации

Ключевые сотрудники:: сэр Джеймс Лайтхилл Сэр Джордж Габриэль Стоукс, первый баронет сэр Гораций Лэмб Анри Пито Анри-Эмиль Базен

Похожие темы:: аэродинамика Принцип Архимеда Уравнение Навье-Стокса коэффициент Аустауша магнитогидродинамика

См. весь связанный контент →

гидромеханика , наука, связанная с реакцией жидкостей на воздействующие на них силы. Это раздел классической физики с очень важными приложениями в гидравлической и авиационной технике, химической инженерии, метеорологии и зоологии.

Самой известной жидкостью, конечно же, является вода, и энциклопедия 19-го века, вероятно, рассмотрела бы этот предмет под отдельными заголовками: гидростатика, наука о воде в состоянии покоя, и гидродинамика, наука о воде в движении. Архимед основал гидростатику примерно в 250 г. до н. э., когда, согласно легенде, он выпрыгнул из ванны и голым побежал по улицам Сиракуз с криком «Эврика!»; с тех пор он претерпел довольно мало развития. С другой стороны, основы гидродинамики не были заложены до 18 века, когда такие математики, как Леонард Эйлер и Даниил Бернулли, начали исследовать последствия для практически непрерывной среды, такой как вода, динамических принципов, которые Ньютон сформулировал для систем. состоит из дискретных частиц. Их работа была продолжена в 19ХХ века несколькими первоклассными математиками и физиками, в частности Г.Г. Стокса и Уильяма Томсона. К концу века были найдены объяснения целому ряду интригующих явлений, связанных с течением воды по трубам и отверстиям, волнами, которые оставляют за собой корабли, движущиеся по воде, каплями дождя на оконных стеклах и т.п. Однако все еще не было должного понимания таких фундаментальных проблем, как проблема воды, обтекающей неподвижное препятствие и оказывающей на него силу сопротивления; теория потенциального потока, которая так хорошо работала в других контекстах, дала результаты, которые при относительно высоких скоростях потока сильно расходились с экспериментом. Эта проблема не была должным образом понята до 1904, когда немецкий физик Людвиг Прандтль ввел понятие пограничного слоя (см. ниже «Гидродинамика: пограничные слои и разделение»). Карьера Прандтля продолжалась в период, когда были разработаны первые пилотируемые летательные аппараты. С тех пор течение воздуха интересовало физиков и инженеров не меньше, чем течение воды, и, как следствие, гидродинамика превратилась в гидродинамику. Термин гидромеханика, используемый здесь, охватывает как гидродинамику, так и предмет, который до сих пор обычно называют гидростатикой.

Еще один представитель 20-го века, заслуживающий упоминания здесь, помимо Прандтля, — Джеффри Тейлор из Англии. Тейлор оставался физиком-классиком, в то время как большинство его современников обращали внимание на проблемы строения атома и квантовой механики, и он сделал несколько неожиданных и важных открытий в области гидромеханики. Богатство механики жидкости в значительной степени связано с нелинейным членом в основном уравнении движения жидкости — , т. е. , который включает скорость жидкости в два раза больше. Для систем, описываемых нелинейными уравнениями, характерно то, что при определенных условиях они становятся неустойчивыми и начинают вести себя так, как на первый взгляд кажется совершенно хаотичным. В случае жидкостей хаотическое поведение очень распространено и называется турбулентностью. Математики теперь начали распознавать закономерности в хаосе, которые можно плодотворно анализировать, и это развитие предполагает, что механика жидкости останется областью активных исследований и в 21 веке. (Для обсуждения концепции хаоса см. Физические науки, принципы.)

Гидромеханика — это предмет с почти бесконечными ответвлениями, и последующее изложение обязательно будет неполным. Потребуются некоторые знания об основных свойствах жидкостей; обзор наиболее важных свойств дан в следующем разделе. Для получения дополнительной информации см. термодинамику и жидкость .

Викторина «Британника»

Физика и естественное право

Жидкости не являются строго сплошными средами, как предполагали все последователи Эйлера и Бернулли, ибо они состоят из дискретных молекул. Однако молекулы настолько малы, и, за исключением газов при очень низких давлениях, количество молекул на миллилитр настолько огромно, что их не нужно рассматривать как отдельные объекты. Есть несколько жидкостей, известных как жидкие кристаллы, в которых молекулы упакованы вместе таким образом, что свойства среды становятся локально анизотропными, но подавляющее большинство жидкостей (включая воздух и воду) изотропны. В гидромеханике состояние изотропной жидкости можно полностью описать, определив ее среднюю массу в единице объема, или плотность (ρ), ее температуру ( T ) и его скорость ( v ) в каждой точке пространства, и какая связь между этими макроскопическими свойствами и положениями и скоростями отдельных молекул не имеет прямого значения.

Возможно, необходимо сказать несколько слов о разнице между газами и жидкостями, хотя разницу легче воспринять, чем описать. В газах молекулы находятся достаточно далеко друг от друга, чтобы двигаться почти независимо друг от друга, и газы имеют тенденцию расширяться, чтобы заполнить любой доступный им объем. В жидкостях молекулы более или менее соприкасаются, и короткодействующие силы притяжения между ними заставляют их слипаться; молекулы движутся слишком быстро, чтобы образовать упорядоченные массивы, характерные для твердых тел, но не настолько быстро, чтобы они могли разлететься. Таким образом, образцы жидкости могут существовать в виде капель или струй со свободными поверхностями, или они могут находиться в стаканах, ограниченных только силой тяжести, чего не могут образцы газа. Такие образцы могут со временем испаряться, так как молекулы одна за другой набирают достаточную скорость, чтобы уйти через свободную поверхность и не заменяются. Однако время жизни жидких капель и струй обычно достаточно велико, чтобы можно было пренебречь испарением.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.

Подпишитесь сейчас

В любой твердой или жидкой среде могут существовать два вида напряжений, и разницу между ними можно проиллюстрировать на примере кирпича, который держат двумя руками. Если держатель двигает руками друг к другу, он оказывает давление на кирпич; если он двигает одну руку к своему телу, а другую от него, то он оказывает то, что называется напряжением сдвига. Твердое вещество, такое как кирпич, может выдерживать напряжения обоих типов, но жидкости по определению поддаются сдвиговым напряжениям, какими бы малыми они ни были. Они делают это со скоростью, определяемой вязкостью жидкости. Это свойство, о котором подробнее будет сказано позже, является мерой трения, возникающего, когда соседние слои жидкости скользят друг по другу. Отсюда следует, что касательные напряжения везде равны нулю в покоящейся и равновесной жидкости, а отсюда следует, что давление (т. е. сила на единицу площади), действующая перпендикулярно всем плоскостям в жидкости, одинаково независимо от их ориентации (закон Паскаля). Для изотропной жидкости, находящейся в равновесии, существует только одно значение локального давления ( p ) соответствует заявленным значениям ρ и T . Эти три величины связаны вместе тем, что называется уравнением состояния жидкости.

Для газов при низких давлениях уравнение состояния простое и хорошо известное. Это где R — универсальная газовая постоянная (8,3 джоуля на градус Цельсия на моль), а M — молярная масса или средняя молярная масса, если газ представляет собой смесь; для воздуха соответствующее среднее значение составляет около 29 × 10 ⁻³ кг на моль. Для других жидкостей знание уравнения состояния часто бывает неполным. Однако, за исключением очень экстремальных условий, все, что нужно знать, это то, как изменяется плотность при небольшом изменении давления, и это описывается сжимаемостью жидкости — либо изотермической сжимаемостью, β _T , или адиабатическая сжимаемость, β _S , в зависимости от обстоятельств. Когда элемент жидкости сжимается, совершаемая над ним работа стремится нагреть его. Если тепло успевает уйти в окружающую среду, а температура жидкости практически не меняется, то β _T — соответствующее количество. Если практически никакое тепло не уходит, как это чаще бывает в задачах о течении из-за плохой теплопроводности большинства жидкостей, то говорят, что течение адиабатическое, и вместо него требуется β _S . ( S относится к энтропии, которая остается постоянной в адиабатическом процессе при условии, что он протекает достаточно медленно, чтобы его можно было рассматривать как «обратимый» в термодинамическом смысле.) Для газов, подчиняющихся уравнению (118), очевидно, что p и ρ пропорциональны друг другу в изотермическом процессе, а

в обратимых адиабатических процессах для таких газов температура повышается при сжатии с такой скоростью, что и где γ составляет около 1,4 для воздуха и принимает аналогичные значения для других общие газы. Для жидкостей отношение между изотермической и адиабатической сжимаемостями значительно ближе к единице. Однако для жидкостей обе сжимаемости обычно намного меньше, чем p ⁻¹ , и часто оправдывается упрощающее предположение, что они равны нулю.

Коэффициент γ – это не только отношение двух сжимаемостей; это также отношение между двумя основными удельными теплоемкостями. Молярная удельная теплоемкость – это количество теплоты, необходимое для повышения температуры одного моля на один градус. Это больше, если позволить веществу расширяться при нагревании и, следовательно, совершать работу, чем если бы его объем был фиксированным. Главные молярные теплоемкости, C _P и C _V, относятся к нагреву при постоянном давлении и постоянном объеме, соответственно, и

Для воздуха C _P составляет около 3,5 R .

Твердые тела можно растягивать, не ломая, а жидкости, хотя и не газы, тоже могут выдерживать растяжение. Таким образом, если давление в образце очень чистой воды неуклонно снижается, в конце концов появятся пузырьки, но они могут не появляться до тех пор, пока давление не станет отрицательным и значительно ниже -10 ⁷ ньютонов на квадратный метр; это в 100 раз больше по величине, чем (положительное) давление, оказываемое атмосферой Земли. Вода обязана своей высокой идеальной прочностью тому факту, что разрыв связан с разрывом связей притяжения между молекулами по обе стороны от плоскости, на которой происходит разрыв; работа должна быть сделана, чтобы разорвать эти связи. Однако его прочность резко снижается из-за всего, что образует ядро, в котором может начаться процесс, известный как кавитация (образование полостей, заполненных паром или газом), а жидкость, содержащая взвешенные частицы пыли или растворенные газы, может довольно легко кавитировать. .

Работа также должна быть выполнена, если свободную каплю жидкости сферической формы необходимо вытянуть в длинный тонкий цилиндр или деформировать каким-либо другим способом, увеличивающим площадь ее поверхности. Здесь снова необходима работа по разрыву межмолекулярных связей. Фактически, поверхность жидкости ведет себя так, как если бы она была эластичной мембраной, находящейся под напряжением, за исключением того, что натяжение, создаваемое эластичной мембраной, увеличивается, когда мембрана растягивается так, как не увеличивается натяжение поверхности жидкости.