Измерение движения жидкостей и газов. Единицы. Движение жидкостей и газов, как и все другие виды движения, рассматриваемые в механике, можно полностью охарактеризовать, оперируя единицами измерения длины, времени и силы. Так, диаметр парашюта можно измерять в метрах, время снижения, скажем, на 100 метров – в секундах, а вес груза – в ньютонах. Точно так же входное сечение насоса можно измерять в квадратных метрах, объемный расход среды – в кубических метрах в секунду, а мощность – в ньютон-метрах (джоулях) в секунду. Существует много способов измерения таких характеристик течения с использованием различных – механических и электрических – эквивалентов линейки, часов и пружинных весов. Например, скорость жидкостей и газов можно оценивать по числу оборотов в единицу времени проградуированной крыльчатки (гидрометрическая вертушка и анемометр) или по изменению электросопротивления нагреваемой проходящим током проволоки (проволочный термоанемометр); давление можно определять по вызываемому им отклонению изогнутой трубки или мембраны (манометр Бурдона и барометр-анероид) либо по току, генерируемому пьезокристаллом.

Прогнозирование характеристик течения. Если бы такие измерения движения жидкостей и газов были единственным занятием гидроаэромеханики, это была бы дисциплина довольно узкого профиля. Гораздо более важное значение, чем измерение, имеет точное прогнозирование характеристик течения при заранее известных или предполагаемых условиях. Очевидно, что недостаточно уметь просто измерить пропускную способность построенного водослива, – нужно сначала надежно спроектировать водослив, рассчитанный на максимально возможный поток; точно так же измерить лагом скорость судна в плавании проще, чем заранее указать мощность двигателей, которые потребуются новому судну для поддержания заданной крейсерской скорости; напечатать в газете скорость ветра и атмосферное давление, измеренные вчера, гораздо легче, чем предсказать погодные условия на завтрашний день. Короче говоря, истинный предмет гидроаэромеханики – установление соотношений между различными характеристиками течения, позволяющих определить любую из них, коль скоро заданы другие характеристики, от которых она зависит.

Картина течения. Первый шаг в решении любой задачи о движении жидкости или газа – наглядное представление картины течения. Можно представить себе ряд тонких струек (линий) движущейся среды так, что в каждой своей точке они совпадают с направлением течения. Такие линии называются линиями тока. Если течение установившееся, т.е. картина течения со временем не меняется, то линии тока совпадают с траекториями частиц текущей среды. Течение называется равномерным, если все линии тока прямолинейны и параллельны (рис. 1). Течение через водослив является установившимся – все линии тока в нем совпадают с траекториями частиц, взвешенных в воде. Но такое течение нельзя считать равномерным, поскольку линии тока искривлены и сгущаются при переходе через гребень водослива. Течение, вызываемое движущимся телом, например кораблем, тоже неравномерно, так как корабль все время меняет свое положение и траектории частиц воды лишь кратковременно совпадают с линиями тока (рис. 2). Движение такого вида, неустановившееся и неравномерное, представляется очень сложным для наблюдателя. Но оно выглядело бы гораздо проще, если бы наблюдатель мог двигаться с той же скоростью, что и корабль, так как тогда он видел бы движение, по крайней мере перед кораблем, в установившихся условиях и линии тока совпадали бы с траекторией движения. Такое упрощение задачи основано на представлении об относительном движении, которое часто оказывается полезным в механике. Если бы к тому же течение зависело только от формы границы, в данном случае от формы передней части корабля, то линии тока можно было бы построить у контура этой границы с использованием графических, механических или электрических процессов, описываемых математическим соотношением между этим контуром и картиной потока.

(14.61 Кб) (12.93 Кб)

дальше