Режимы течения жидкости. Число Рейнольдса

Существуют два типа течения жидкости: ламинарное и турбулентное.

Течение жидкости, при котором различные слои не перемешиваются, называется ламинарным (рис. 8.12 – 1; 2). Примером ламинарного течения является течение жидкости при малых скоростях (широкая река).

Турбулентное течение жидкости – течение жидкости, при котором при больших скоростях течения жидкости различные слои жидкости перемешиваются и возникают вихри (рис. 8.12 – 3).

Скорость течения жидкости (при турбулентном движении) быстро возрастает по мере удаления от поверхности трубы. Затем изменяется очень незначительно. Сильное изменение скорости у поверхности трубы увеличивает градиент скоростей, что приводит к образованию вихрей.

Английский ученый Оскар Рейнольдс(1842-1912) установил, что характер течения жидкости зависит от безразмерной величины, называемой числом Рейнольдса:

,

где ρ – плотность жидкости, d – характерный линейный размер сосуда, η – динамическая вязкость, ν – кинематическая вязкость: .

Подъемная сила

При движении в реальных жидкостях полную силу сопротивления раскладывают на две составляющие:

Рисунок 8.13 – Полная сила сопротивления

α

,

где составляющую , параллельную потоку, называют силой лобового сопротивления, а , перпендикулярную потоку, называют подъемной силой (рис. 8.13).

В современных транспортных конструкциях стараются уменьшить турбулентность, т.е. уменьшить лобовое сопротивление. Для крыла самолета требуется большая подъемная сила при малом лобовом сопротивлении. Это условие выполняется при малых углах атаки α.

Самолеты весят значительно больше вытесняемого ими воздуха. Что же их удерживает в небе? Оказывается, им помогает подъемная сила. Но она работает лишь в том случае, если самолет движется в воздухе с большой скоростью.

Во время движения воздух проходит над и под крыльями самолета. Благодаря специальной форме крыла воздух огибает его таким образом, что, проходя над крылом самолета, воздух разряжается, под крылом – сжимается.

Таким образом, воздушные течения снизу «приподнимают» крылья, а сверху как бы «подталкивают» крылья кверху. Так создается подъемная сила (рис. 8.14).

Самолет движется вперед с помощью двигателей, воздушные пропеллеры как бы «сверлят» воздух. Когда самолет движется очень быстро, то воздух начинает вести себя как твердое вещество. Самолет летит вперед благодаря силе тяги. Она преодолевает силу торможения самолета (сопротивление воздуха), а подъемная сила преодолевает земное притяжение (силу тяжести). И самолет летит. Пока подъемная сила равна силе земного притяжения, самолет сохраняет равновесие и летит прямо. Если увеличить скорость полета, самолет начнет подниматься вверх, поскольку увеличивается подъемная сила. Вот почему в это время пилоту следует опустить нос самолета.

Если же, наоборот, скорость полета уменьшается, пилот поднимает нос самолета. Если пилот не сделает этого, подъемная сила упадет: нос самолета начнет опускаться, и самолет снижается. Если самолет теряет скорость высоко над землей, то у летчика есть еще время увеличить скорость и снова набрать высоту.

Если самолет теряет скорость невысоко от земли, то может произойти катастрофа.