Летящие над волной

Опубликовано: 27 июня 2010
Просмотров: 118420

 

Вода сопротивляется

По современным представлениям, при движении корабля на него действуют две равные и противоположно направленные горизонтальные силы. Одна из них, действующая в направлении движения,— тяга движителя, другая — сопротивление воды, которое возникает вследствие того, что корпус корабля испытывает ряд сопротивлений, получивших следующие названия и обозначения: сопротивление трения Rf ; сопротивление формы Rpv; волновое сопротивление Rw; сопротивление выступающих частей Rвч; воздушное сопротивление Rв. Таким образом, полное сопротивление Rt представляет собой сумму указанных составляющих: Rt= Rf + Rpv + Rw + Rвч + Rв

Каков физический смысл составляющих полного сопротивления? Сопротивление трения связано с вязкостью жидкости. Если поместить в воду гладкий лист фанеры или металла и буксировать его в вертикальном положении ребром вперед, то даже при полированной поверхности буксируемого листа динамометр покажет значительное усилие, которое с увеличением скорости буксировки будет возрастать приблизительно по квадратичному закону. Какие же силы препятствуют движению листа в воде?

Посмотрим с высоты птичьего полета на линейный корабль США "Texas" (BB-35) («Техас») (1914). Впечатление такое, что в слое, непосредственно примыкающем к корпусу корабля, вода вскипает. С увеличением скорости интенсивность процесса возрастает. Почему?

"Texas" (BB-35) - полный вперед!

Вследствие вязкости воды ее частицы, сцепившись с поверхностью корпуса корабля, прилипают к нему и движутся вместе с ним. Силы сцепления частиц воды друг с другом меньше, чем с твердым телом, и второй слой воды, расположенный рядом с первым, будет несколько отставать от него по скорости, как бы цепляясь за него, но постепенно сползая. Каждый последующий слой будет двигаться по отношению к кораблю с несколько меньшей скоростью, чем предшествующий. Вскипающая белой пеной вода у бортов «Техаса» является видимой частью пограничного слоя.

Основное представление о пограничном слое сформулировал великий русский ученый Д. И. Менделеев (1834 - 1907), постоянно интересовавшийся вопросами кораблестроения и многое сделавший в этой области. В 1880 г. Д. И. Менделеев в своей работа «О сопротивлении жидкости и воздухоплавании» отметил роль «прилипшего к твердому телу слоя жидкости, который движется вместе с телом и увлекает последнее». Почти одновременно с Менделеевым и независимо от него мысль о существовании и значимости пограничного слоя высказал Жуковский.

Первое теоретическое обоснование и анализ явлений, происходящих в пограничном слое, принадлежит выдающемуся немецкому ученому Ludwig Prandtl (1875—1953)(Л. Прандтлю) , который объяснил и подтвердил опытами, что течение жидкости, обтекающей тело, можно разделить на две области: область относительно тонкого слоя вблизи тела (пограничный слой), где трение играет существенную роль, и область вне пограничного слоя, где трением можно пренебречь.

Ludwig Prandtl (1875—1953)

Первостепенная роль в развитии теории пограничного слоя принадлежит англичанину Osborne Reynolds (1842-1912)(О. Рейнольдсу) , объяснившему парадокс, многие годы сдерживавший развитие гидродинамики. Суть парадокса сводилась к следующему. Рейнольде доказывал, что сопротивление жидкости, протекающей в трубе, прямо пропорционально скорости жидкости и обратно пропорционально квадрату диаметра трубы, в то время как его оппоненты утверждали, что сопротивление жидкости прямо пропорционально квадрату скорости ее движения и обратно пропорционально диаметру трубы. Многократные опыты подтверждали оба вывода. За выявление истины взялся Рейнольдс.

Osborne Reynolds (1842-1912)

В воду, протекавшую по стеклянной трубке, ученый ввел тонкую струйку красителя. В трубке как бы протянулась цветная нить в виде слоя, не смешивающегося с основным потоком воды. Такое движение воды Рейнольде назвал ламинарным (от лат. lamina — пластинка). При увеличении скорости воды в трубке картина резко изменилась. Скачком замедлилось движение подкрашенного слоя. Быстрые беспорядочные завихрения перемешали краситель в воде. Ученый назвал такое движение воды турбулентным (от лат. turbulentus— быстрый, беспорядочный).

Итак, все стало на свои места. Различие в результатах опытов являлось следствием того, что одни исследователи экспериментировали при ламинарном течении жидкости, а другие при турбулентном.

Рейнольдс вывел безразмерное соотношение, которое в его честь названо числом Рейнольдса. Физическая суть числа Рейнольдса заключается в том, что произведение скорости течения жидкости (или движения тела) на характерный размер тела, деленное на показатель вязкости жидкости, есть число постоянное. Турбулентность появляется тогда, когда силы инерции, определяемые скоростью жидкости, ее плотностью и характерным размером тела, превышают силу вязкости жидкости.

Число Рейнольдса имеет первостепенное значение для областей техники, связанных с движением жидкости или движением тел в ней. Оно позволяет достаточно точно определить коэффициент сопротивления трения, который необходим при расчете сопротивления трения. При турбулентном режиме коэффициент сопротивления трения гораздо выше, чем при ламинарном. А вследствие относительно большой длины и шероховатости корпуса пограничный слой даже при умеренных скоростях корабля почти всегда является турбулентным. Вот почему обшивку подводной части стремятся сделать более гладкой и систематически очищают в процессе эксплуатации. Это делается с одной целью — снизить турбулентность пограничного слоя. Ведь всякие неровности на подводной части корпуса, даже песчинки и грязь, являются источниками образования вихрей в пограничном слое, а следовательно, турбулизаторами.