ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЗДУХА И ДРУГИХ ТЕКУЧИХ СРЕД
В аэродинамике принимаются во внимание такие свойства воздуха, как плотность, давление, температура и молекулярный состав.
Воздух
состоит из молекул ряда химических элементов, в основном азота (78%) и
кислорода (21%). Имеются также небольшие примеси аргона, углекислого
газа, водорода и других газов. Число молекул в единице объема воздуха
чрезвычайно велико: на уровне моря при температуре 15° С в 1 м3 содержится 2,7Ч1025 молекул. Плотность определяется как масса воздуха, содержащегося в единице объема.
Давление
представляет собой силу, действующую на единицу площади. Молекулы
воздуха находятся в непрерывном движении; они соударяются с
ограничивающей воздух поверхностью и отражаются от нее. Сумма всех
импульсов, сообщаемых молекулами, падающими на единицу площади
поверхности за единицу времени, равна давлению.
Температура
воздуха (или какого-либо другого газа) служит мерой средней кинетической
энергии молекул (равной половине произведения массы на квадрат
скорости), отнесенной к единице массы.
Важной физической характеристикой газа, зависящей только от температуры, является скорость звука. Скорость звука a (м/с) в воздухе можно вычислить, зная абсолютную температуру T (K), по формуле .
Связь между давлением p, плотностью r и абсолютной температурой T дается формулой p = rRT, где R – газовая постоянная, равная 287,14 м2/с2ЧК для воздуха. Из этой формулы следует закон Бойля, согласно которому при постоянной температуре p/r = const, т.е. изменение плотности прямо пропорционально изменению давления.
Изменения
давления и плотности воздуха по высоте согласуются с этими законами.
Давление и плотность уменьшаются, по сравнению с их значениями на уровне
моря, в 2 раза на высоте 6 км, в 5 раз на высоте 12 км и в 100 раз на
высоте 30 км.
В нижних слоях атмосферы температура воздуха также
снижается при увеличении высоты. Стандартная температура на уровне моря
составляет 288 К. Она уменьшается до 256 К на высоте 5 км и до 217 К на
высоте 12 км.
Важной характеристикой движущейся среды является ее
вязкость. Вязкость проявляется через свойство прилипания текучей среды к
поверхности, тогда как невязкая среда свободно скользит вдоль
обтекаемой поверхности. Чтобы проиллюстрировать влияние вязкости,
порождающей силу, замедляющую течение (силу сопротивления), рассмотрим
две большие параллельные друг другу пластины A и B (рис.
1), одна из которых движется относительно другой. Вязкая среда прилипает
к каждой из пластин. Случайные движения молекул создают эффект
«перемешивания», стремящегося выровнять средние скорости течения,
скорость которого на пластине B равна V, а на пластине A
– нулю. Результирующее распределение скоростей также приведено на рис.
1, где длина стрелок пропорциональна величине скорости в данной точке
течения по высоте между пластинами. Таким образом, на движущуюся
пластину B действует сила, тормозящая ее движение. Чтобы обеспечить движение пластины B
при наличии торможения, к ней должна быть приложена противодействующая
сила. Такая же сила стремится привести в движение пластину A.
Величина силы, необходимой для поддержания движения пластины B со скоростью 1 м/с (или удержания на месте неподвижной пластины A), при условии, что расстояние между пластинами равно 1 м, а площадь каждой из них – 1 м2, называется коэффициентом вязкости m. Для воздуха при температуре 0° С и давлении 1 атм m = 1,73Ч10–5 HЧc/м2. Эксперименты показывают, что коэффициент вязкости воздуха изменяется в зависимости от температуры пропорционально T0,76.