Сили опору середовища
Знайомлячись з інерцією з прикладу снаряда, ми переконалися, що після припинення дії рушійної сили довжина шляху, що проходить тілом, залежить від опору середовища, у якому воно рухається: у твердому тілі, рідинах чи газах.
Юні техніки у своїй практичній діяльності зустрічаються із опором кожного з цих середовищ. У майстерні школи та на виробництві при виготовленні виробів доводиться долати опір металів, деревини, пластмас та інших твердих матеріалів. Щоб зменшити силу опору матеріалу ріжучому інструменту, сам інструмент має бути гострий і ретельно відполірований. Це зменшує тертя і не тільки покращує якість оброблюваної поверхні та стійкість інструменту за рахунок зменшення його нагріву, але й помітно знижує витрати енергії на обробку. Зменшенню тертя при обробці та відводі тепла сприяє і застосування змащувально-охолоджуючих рідин. Зменшення кута загострення інструменту також полегшує різання.
Мал. 10. Маятник Максвелла.
Збільшення витрати енергії під час роботи затупленим і неправильно заточеним інструментом особливо помітно при ручній обробці.
При розрізанні заготовок ручною ножівкою вона часто заїдає і навіть ламається. Важко і повільно йде робота, проте легко можна отримати травму. Причина заїдання пили - тертя бічних поверхонь полотна об стінку прорізу. Успішно розрізати товсту заготовку можна тільки в тому випадку, якщо ширина прорізу буде більшою за товщину полотна ножівки. А такий проріз дають полотна із розведеними зубами. Тому зуби пили по дереву необхідно не тільки заточувати, а й розводити.
Рідини і гази чинять опір тілам, що рухаються в них, набагато менше, ніж тіла тверді: людина, що йде легкодолає опір повітря, човен, що рухається, спокійно розсовує воду. Але як тільки швидкість зростає, опір рідин і газів теж стає дуже відчутним, бо чим вища швидкість, тим більше опір середовища. Наприклад, опір, який чинить повітря парашутисту, що вільно падає, настільки великий, що дає можливість парашутисту безпечно опуститися на землю з великої висоти. Опір води зі зростанням швидкості стає ще помітнішим: носова частина моторного човна піднімається над водою тим вище, чим більша швидкість руху. Вода надійно тримає лижника, якого буксирує катер.
На подолання сил опору середовища доводиться витрачати додаткові потужності, а отже, і додаткову — і до того ж дуже значну кількість палива. Все це різко підвищує вагу транспортних засобів. Для повітряних та космічних кораблів вага має вирішальне значення. Тому конструктори виборюють зниження кожного кілограма ваги літаків, а молодих техніків-авіамоделістів важливий буквально кожен грам ваги моделі.
При дуже великих швидкостях рідини та гази набувають незвичних властивостей. Наприклад, водою, що виштовхується з сопла з надзвуковою швидкістю, можна пробивати отвори в твердих гірських породах і навіть у металі, тому що водяний струмінь стає «твердим». При польоті зі швидкостями, що перевищують швидкість звуку (а швидкість сучасних літаків-винищувачів перевищує її в 2—3 рази), пілот у разі аварії не тільки не може викинутися з літака, а й висунути руку з кабіни — потік повітря миттєво зріже>її, як бритвою. Тому сучасні швидкісні літаки-винищувачі обладнані катапультою, яка за допомогою вибухового заряду викидає пілота з кабіни.разом із його кріслом. У момент катапультування огорожа захищає пілота від удару із зустрічним повітряним потоком. Тільки після того, як пілот відлетить від падаючого літака на безпечну відстань, він розкриває парашут.
Сила опору середовища залежить не тільки від її агрегатного стану і швидкості руху, але і від форми тіла, що рухається, і ступеня гладкості його поверхні (рис. І).
Мал. 11. Залежність сили опору повітря форми тіла.
Зовсім недавно, 20-25 років тому, у літака все було «на виду» - колеса, шасі, кріплення крил. У процесі боротьби за збільшення швидкості, маневреності та покращення інших льотних характеристик літакобудівникам довелося прибрати всередину все, що виступало назовні, навіть голівки заклепок — замість напівкруглих почали застосовувати потайні. Для зниження ваги літака, не завдаючи шкоди його міцності, авіаконструктори розробили складні форми прокатних профілів, а для зменшення тертя всю зовнішню поверхню літака стали ретельно загладжувати, «зализувати», і покривати лаком. Літак, автомобіль і корабель набули обтічних форм з невеликими змінами перерізів і плавними переходами між ними. Найкращу форму допомагає визначити випробування конструкції або її моделі в аеродинамічній трубі (рис. 12).
Форма поздовжнього перерізу літака визначається його швидкістю: для дозвукових апаратів вона характеризується сферичною головною частиною та загостреною хвостовою. При надзвукових швидкостях поздовжній переріз літака в головній частині схожий на гострий конус, а хвостова частина — плоска, ніби обрубана.
Тяжкий літак, наділений великою інерцією, при посадці вимагає дуже довгих злітно-посадкових смуг та великих аеродромів. Це і складно, і дорого. Томуавіаційні конструктори прагнуть використовувати силу опору середовища зменшення пробігу літака після посадки. Наприклад, у деяких літаків роблять гальмівні парашути, які льотчик випускає відразу ж після приземлення машини, а у надзвукового пасажирського лайнера «ТУ-144» (рис. 13) гальмування здійснюється за допомогою опускання лобового обтічника, який у польоті служить для надання літаку надзвукової форми .
Опір руху тіла в різних середовищах по-різному: найбільше — у твердому середовищі, набагато менше — у рідинах, найменше — у газах.
При великій швидкості руху твердого тіла в жид-
5 ^"ВИМІРЮВАЧ вже ШВИДКОСТІ ПОВІТРЯ
ВентиляторМал. 12. Аеродинамічна труба.