Чем измеряется сопротивление воздуха. Аэродинамическое сопротивление автомобиля. Как зависит сила сопротивления воздуха от формы предмета и его массы

В результате многочисленных опытов, исследований и теоретических обобщений установлена формула для подсчёта силы сопротивления воздуха

где S - площадь поперечного сечения пули,

с - масса воздуха при данных атмосферных условиях;

Скорость пули;

- опытный коэффициент, зависящий от формулы пули и числа который берётся из заранее составленных таблиц.

Величина силы сопротивления зависит от следующих факторов:

Площади поперечного сечения пули. Следовательно, сила сопротивления воздуха прямо пропорциональна площади поперечного сечения пули;

- плотности воздуха. Из формулы видно, что сила сопротивления воздуха прямо пропорциональна плотности воздуха. Таблицы стрельбы составлены для нормальных атмосферных условий. В случае отклонения фактической температуры и давления от нормальных значений необходимо вносить поправки при пользовании таблицами стрельбы;

- скорости пули. Зависимость силы сопротивления воздуха от скорости пули выражается сложным законом. В формулу входят члены V 2 и, устанавливающие зависимость силы сопротивления воздуха от скорости. Для изучения этой зависимости рассмотрим график, показывающий, как влияет скорость пули на силу сопротивления воздуха (рис. 8).

График 1 - Зависимость силы сопротивления от скорости пули

Похожие по виду графики получаются и для артиллерийских снарядов. Из графика следует, что сила сопротивления воздуха возрастает с увеличением скорости пули. Возрастание силы сопротивления до скорости 240 м/сек идёт сравнительно медленно. При скорости, близкой к скорости звука, сила сопротивления воздуха резко растет. Это объясняется образованием баллистической волны и увеличением в связи с этим разности давлений воздуха на головную и дольную части пули;

- формы пули. Форма пули существенно сказывается на функции входящей в формулу. Вопрос о наивыгоднейшей форме пули чрезвычайно сложен и не может решаться на базе одной только внешней баллистики. Очень важным фактором при выборе формы пули является: назначение пули, способ её ведения по нарезам, калибр и вес пули, устройство оружия, для которого она предназначена и др.

Для уменьшения влияния избыточного давления воздуха приходится заострять и удлинять головную часть пули. Это вызывает некоторый поворот фронта головной волны, благодаря чему уменьшается избыточное давление воздуха на головную часть пули. Такое явление можно объяснить тем, что по мере заострения головной части уменьшается скорость, с которой частицы воздуха отталкиваются в стороны от поверхности пули.

Опыт показывает, что форма головной части пули играет второстепенную роль в сопротивлении воздуха. Основным фактором является высота головной части и способ её сопряжения с ведущей частью. Обычно за образующею головной части пули принимают дугу окружности, центр которой находится либо на основании головной части, либо несколько ниже его (рис. 9). Хвостовую часть чаще всего выполняют в виде усечённого конуса с углом наклона образующей (рис. 10).

Рисунок 8 - Форма оживальной части пули

Рисунок 9 - Форма донной части пули

Обтекание воздуха при конусной хвостовой части происходит значительно лучше. Область низкого давления почти отсутствует и вихреобразование значительно менее интенсивно. Ведущею часть пули с точки зрения внешней баллистики выгодно делать, возможно, более короткой. Но при короткой ведущей части затрудняется правильное влияние пули по нарезам ствола: возможен демонтаж оболочки пули. Необходимо заметить, что о наивыгоднейшей форме пули можно говорить лишь для определённой скорости, так как для каждой скорости существует своя наивыгоднейшая форма.

На рис. 9 изображены наивыгоднейшие формы снарядов для различных скоростей. По горизонтальной оси отложены скорости снарядов, по вертикальной - высоты снарядов в калибрах.

Рисунок 9 - Зависимость относительной длины снаряда от скорости

Как видно, с ростом скорости длина головной части, и общая длина снаряда увеличиваются, а хвостовая часть уменьшается. Такая зависимость объясняется тем, что при больших скоростях основная доля силы сопротивления воздуха приходится на головную часть. Поэтому основное внимание уделяется уменьшению сопротивления головной части, что достигается её заострением и удлинением. Хвостовая часть снаряда в этом случае делается короткой, чтобы снаряд не был слишком длинным.

При малых скоростях снаряда давление воздуха на головную часть невелико и разряжение за данной частью хотя и меньше, чем при больших скоростях, но составляет значительную долю всей силы сопротивления воздуха. Поэтому необходимо делать сравнительно длинную коническую хвостовую часть снаряда для уменьшения действия разряженного пространства. Головная часть может быть более короткой, так как её длинна, имеет в этом случае меньшее значение. Заострение хвостовой части особенно велико для снарядов, скорость которых меньше скорости звука. В этом случае наиболее выгодной является каплеобразная форма. Такая форма придаётся минам и авиабомбам.

Опыты по определению

Начиная с 1860 г. В разных странах производились опыты со снарядами различных калибров и форм с целью определения.

График 2 - Кривые для различных форм снарядов: 1, 2, 3 - близкие по форме; 4 - легкая пуля

Рассматривая кривые для снарядов сходной формы, можно убедится, что они имеют также сходный вид. Это даёт возможность приближенно выразить для некоторого снаряда через другого снаряда, принятого как бы за эталон, при помощи постоянного множителя i:

Этот множитель, или отношение данного снаряда к другого снаряда, принятого за эталон, называется коэффициентом формы снаряда. Для определения коэффициента формы какого-либо снаряда надо опытным путём найти для него силу сопротивления воздуха для какой-либо скорости. Тогда по формуле можно найти

Деля полученное выражение на получаем коэффициент формы

Разные учёные дали различные математические выражения для подсчёта Например, Сиачи (график 3) выразил закон сопротивления следующей формулой

где F(V) - функция сопротивления.

График 3 - Закон сопротивления

Функция сопротивления Н.В. Маиевского и Н.А. Забудского меньше, чем функция сопротивления Сиаччи. Переводной множитель от закона сопротивления Сиаччи к закону сопротивления Н.В. Майевского и Н.А. Забудского в среднем равен 0,896.

В Военно-инженерной артиллерийской академии им. Ф.Э. Дзержинского выведен закон сопротивления воздуха для дальнобойных снарядов. Этот закон получен на основании обработки результатов специальных стрельб дальнобойными снарядами и пулями. Функции сопротивления в этом законе выбраны такими, чтобы при баллистических расчётах для дальнобойных снарядов, а также для пуль и оперённых снарядов (мин), коэффициент формы получился по возможности близким к единице. Функция для скоростей, меньших 256 м/сек или больших 1410 м/сек может быть выражена одночленом Определим коэффициент

Для V < 256 м/ сек

Для V > 1410 м/ сек

При задании коэффициента формы всегда следует указывать, по отношению, к какому закону сопротивления он дан. В формуле для определения силы сопротивления воздуха, заменяя получаем на, получаем

Среднее значение коэффициента формы для закона сопротивления Сиаччи приведены в табл. 3.

Таблица 3 - значения i для различных снарядов и пуль

Все составляющие сопротивления воздуха трудно определяются аналитически. Поэтому в практике нашла применение эмпирическая формула, имеющая для диапазона скоростей движения, характерного для реального автомобиля, следующий вид:

где с х – безразмерный коэффициент обтекаемости воздухом , зависящий от формы тела; ρ в – плотность воздуха ρ в = 1,202…1,225 кг/м 3 ; А – площадь миделева сечения (площадь поперечной проекции) автомобиля, м 2 ; V – скорость автомобиля, м/с.

В литературе встречается коэффициент сопротивления воздуха k в :

F в = k в А V 2 , где k в =с х ρ в /2 , –коэффициент сопротивления воздуха, Нс 2 /м 4 .

…и фактор обтекаемости q в : q в = k в · А.

Если вместо с х подставить с z , то получим аэродинамическую подъемную силу.

Площадь миделева сечения для авто:

А=0,9 · В max · Н ,

где В max – наибольшая колея автомобиля, м; Н – высота автомобиля, м.

Сила приложена в метацентре, при этом создаются моменты.

Скорость сопротивления потока воздуха с учетом ветра:

, где β – угол между направлениями движения автомобиля и ветра.

С х некоторых автомобилей

1. Сила сопротивления подъему

F п = G а sin α.

В дорожной практике величину уклона обычно оценивают величиной подъема полотна дороги, отнесенную к величине горизонтальной проекции дороги, т.е. тангенсом угла, и обозначают i , выражая полученное значение в процентах. При относительно небольшой величине уклона допустимо в расчетных формулах при определении силы сопротивления подъему использовать не sin α., а величину i в относительных значениях. При больших значениях величины уклона замена sin α величиной тангенса (i /100) недопустима.

1. Сила сопротивления разгону

При разгоне автомобиля происходит разгон поступательно движущейся массы авто и разгон вращающихся масс, увеличивающих сопротивление разгону. Это увеличение можно учесть в расчетах, если считать, что массы автомобиля движутся поступательно, но использовать некую эквивалентную массу m э, несколько большей m a (в классической механике это выражается уравнением Кенига)

Используем метод Н.Е. Жуковского, приравняв кинетическую энергии поступательно движущейся эквивалентной массы сумме энергий:

,

где J д – момент инерции маховика двигателя и связанных с ним деталей, Н·с 2 ·м (кг·м 2); ω д – угловая скорость двигателя, рад/с; J к –момент инерции одного колеса.

Так как ω к = V а / r k , ω д = V а · i кп · i o / r k , r k = r k 0 ,

то получим
.

Момент инерции J узлов трансмиссии автомобилей, кг· м 2

Произведем замену: m э = m а · δ,

Если автомобиль загружен не полностью:
.

Если автомобиль идет накатом: δ = 1 + δ 2

Сила сопротивления разгону автомобиля (инерции): F и = m э · а а = δ · m а · а а .

В первом приближении можно принять: δ = 1,04+0,04 i кп 2

Формирование силы сопротивления воздуха. На рис. 78 и 81 показаны потоки воздуха, образуемые при движении легкового и грузового автомобилей. Сила сопротивления воздуха P w состоит из нескольких составляющих, основной из которых является сила лобового сопротивления. Последняя возникает вследствие того, что при движении автомобиля (см. рис. 78) впереди него создается избыточное давление +АР воздуха, а сзади - пониженное -АР (в сравнении с атмосферным давлением). Подпор воздуха впереди автомобиля создает сопротивление движению вперед, а разрежение воздуха сзади автомобиля образует силу, которая стремится переместить автомобиль назад. Поэтому чем больше разница давлений впереди и сзади автомобиля, тем больше сила лобового сопротивления, а разница давлений, в свою очередь, зависит от размеров, формы автомобиля и скорости его движения.

Рис. 78.

Рис. 79.

На рис. 79 приведены значения (в условных единицах) лобового сопротивления в зависимости от формы тела. Из рисунка видно, что при обтекаемой передней части лобовое сопротивление воздуха снижается на 60%, а при придании обтекаемости задней части - только на 15%. Это свидетельствует о том, что создаваемый впереди автомобиля подпор воздуха оказывает большее влияние на формирование силы лобового сопротивления воздуха, чем разряжение сзади автомобиля. Об обтекаемости задней части автомобиля можно судить по заднему стеклу - при хорошей аэродинамической форме оно не бы-

вает грязным, а при плохой обтекаемости заднее стекло присасывает к себе пыль.

В общем балансе сил сопротивления воздуха на силу лобового сопротивления приходится приблизительно 60%. Среди других составляющих следует выделить: сопротивление, возникающее от прохождения воздуха через радиатор и подкапотное пространство; сопротивление, создаваемое выступающими поверхностями; сопротивление трения воздуха о поверхность и другие дополнительные сопротивления. Значения всех этих составляющих одного порядка.

Суммарная сила сопротивления воздуха P w сосредоточена в центре парусности, представляющем собой центр наибольшей площади сечения тела в плоскости, перпендикулярной к направлению движения. В общем случае центр парусности не совпадает с центром масс автомобиля.

Сила лобового сопротивления воздуха - это произведение площади поперечного сечения тела на скоростной напор воздуха с учетом обтекаемости формы:

где с х - безразмерный коэффициент лобового (аэродинамического ) сопротивления, учитывающий обтекаемость; /’-лобовая площадь или площадь фронтальной проекции, м 2 ; q = 0,5p B v a 2 - скоростной напор воздуха, Н/м 2 . Как видно из размерности, скоростной напор воздуха представляет собой удельную силу, действующую на единицу площади.

Подставив выражение скоростного напора в формулу (114), получим

где v a - скорость автомобиля; р в - плотность воздуха, кг/м 3 .

Лобовая площадь

где а - коэффициент заполнения площади; а = 0,78...0,80 для легковых автомобилей и а = 0,75...0,90 - для грузовых; H a , В а - наибольшие значения соответственно ширины и высоты автомобиля.

Силу лобового сопротивления воздуха рассчитывают также по формуле

где k w = 0,5с х р в - коэффициент сопротивления воздуха, имеющий размерность плотности воздуха - кг/м 3 или Н с 2 /м 4 . На уровне моря, где плотность воздуха р в = 1,225 кг/м 3 , k w = 0,61 с х, кг/м 3 .

Физический смысл коэффициентов k w и с х состоит в том, что они характеризуют свойства обтекаемости автомобиля.

Аэродинамические испытания автомобиля. Аэродинамические характеристики автомобиля исследуют в аэродинамической трубе, одна из которых построена в Российском научно-исследовательском центре по испытаниям и доводке автомототехники. Рассмотрим разработанную в этом центре методику испытаний автомобиля в аэродинамической трубе.

На рис. 80 изображена система осей координат и направления действия составляющих полной аэродинамической силы. При испытаниях определяют следующие силы и моменты: силу лобового аэродинамического сопротивления Р х, боковую силу Р, подъемную силу P v момент крена М х, опрокидывающий момент М у, поворачивающий момент M v

Рис. 80.

В процессе испытаний автомобиль устанавливают на шестикомпонентных аэродинамических весах и закрепляют на платформе (см. рис. 80). Автомобиль должен быть заправлен, укомплектован и загружен в соответствии с технической документацией. Давление воздуха в шинах должно соответствовать заводской инструкции по эксплуатации. Испытаниями управляет ЭВМ в соответствии с программой автоматизированного проведения типовых весовых испытаний. В процессе испытаний специальным вентилятором создаются потоки воздуха, движущиеся со скоростью от 10 до 50 м/с с интервалом 5 м/с. Могут создаваться различные углы натекания воздуха на автомобиль относительно продольной оси. Значения сил и моментов, показанных на рис. 80 и 81, регистрирует и обрабатывает ЭВМ.

При испытаниях измеряют также скоростной (динамический) напор воздуха q. По результатам измерений ЭВМ рассчитывает коэффициенты перечисленных выше сил и моментов, из которых приведем формулу для расчета коэффициента лобового сопротивления:

где q - динамический напор; F - лобовая площадь.

Остальные коэффициенты (с у, c v с тх, с ту, c mz) рассчитываются аналогично с подстановкой в числитель соответствующей величины.

Произведение ^называют фактором аэродинамического сопротивления или фактором обтекаемости.

Значения коэффициента сопротивления воздуха k w и с х для автомобилей разных типов приведены ниже.

Способы снижения силы сопротивления воздуха. Чтобы снизить лобовое сопротивление, улучшают аэродинамические свойства автомобиля или автопоезда: в легковых автомобилях изменяют форму кузова (в основном), а в грузовых - используют обтекатели, тент, лобовое стекло с наклоном.

Антенна, зеркало внешнего вида, багажник над крышей, дополнительные фары и другие выступающие детали или открытые окна увеличивают сопротивление воздуха.

Сила сопротивления воздуха автопоезда зависит не только от формы отдельных звеньев, но и от взаимодействия воздушных потоков, обтекающих звенья (рис. 81). В промежутках между ними образуются дополнительные завихрения, увеличивающие суммарное сопротивление воздуха передвижению автопоезда. У магистральных автопоездов, перемещающихся по автотрассам с высокой скоростью, расход энергии на преодоление сопротивления воздуха может достигать 50% мощности автомобильного двигателя. Чтобы снизить ее, на автопоездах устанавливают дефлекторы, стабилизаторы, обтекатели и другие приспособления (рис. 82). По данным проф. А.Н. Евграфова, применение комплекта навесных аэродинамических элементов снижает коэффициент с х седельного автопоезда на 41%, прицепного - на 45%.

Рис. 81.

Рис. 82.

При скорости до 40 км/ч сила P w меньше силы сопротивления качению на асфальтированной дороге, вследствие чего ее не учитывают. Свыше 100 км/ч сила сопротивления воздуха представляет собой основную составляющую потерь тягового баланса.

1. Движение АТС связано с перемещением частиц воздуха, на которое расходуется часть мощности двигателя. эти затраты складываются из следующих составляющих:

2. Лобового сопротивления, появляющееся из-за разности давлений спереди и сзади движущегося автомобиля (55-60% сопротивления воздуха).

3. Сопротивление, создаваемое выступающими частями – зеркало заднего вида и т.д. (12-18%).

4. Сопротивление, возникающее при прохождении воздуха через радиатор и подкапотное пространство.

5. Сопротивление из-за трения близлежащих поверхностей о слои воздуха (до 10%).

6. Сопротивление, вызваное разностью давлений сверху и снизу автомобиля (5-8%).

Для упрощения расчетов сопротивления воздуха, распределенное по всей поверхности автомобиля сопротивление заменяем силой сопротивления воздуха приложеной в одной точке, называемой центром парусности автомобиля.

Опытом устанавлено, что сила сопротивления воздуха зависит от следующих факторов:

От скорости движения автомобиля, причем данная зависимость носит квадратических характер;

От лобовой площади автомобиля F ;

От коэффициента обтекаемости К в , который числено равен силе сопротивления воздуха, созхдаваемой одним квадратным метром лобовой площади АТС при движении его со скоростью 1 м/с.

Тогда сила сопротивления воздушной среды .

При определении F используют эмпирические формулы, определяющие приблизительную площадь сопротивления. Для грузовых автомобилей F обычно: F=H×B (произведение высоты и ширины), аналогично для автобусов. Для легковых автомобилей принимают F=0,8H×B . Существуют иные формулы, где учитывают колею автомобиля, вероятность изменения высоты АТС и др. Произведение К в ×F называют фактором обтекаемости и обозначают W .

Для определения коэффициента обтекаемости используют специальные устройства либо метод выбега, заключающийся в определении изменения пути свободнокатящегося авотмобиля при движении с различной начальной скоростью. При движении автомобиля в воздушном потоке силу сопротивления воздуха Р в возможно разложить на составляющие по осям АТС. При этом формулы для определения проекций сил отличаются лишь коэфициентами, учитывающими распределение силы по осям. Коэффициент обтекаемости возможно определить из выражения:

где С Х – коэффициент, определяемый опытным путем и учитывающий распределение силы сопротивления воздуха по оси "х". Этот коэффициент получают путем продувки в аэродинамической трубе, ;

r - плотность воздуха, согласно ГОСТ r=1,225 кг/м 3 на нулевой отметке.

Получаем .

Произведение представляет собой скоростной напор, равный кинетической энергии кубического метра воздуха, движущегося со скоростью движения автомобиля относительно воздушной среды.

Коэффициент К в имеет размерность .

Между К в и С Х существует зависимость: К в =0,61С Х .

Прицеп на АТС увеличивает силу сопротивления в среднем на 25%.

Сопротивление воды. Мы уже знаем (§ 68), что при движении твердого тела в воздухе на тело действует сила сопротивления воздуха, направленная противоположно движению тела. Такая же сила возникает, если на неподвижное тело набегает поток воздуха; она направлена, конечно, по движению потока. Сила сопротивления вызывается, во-первых, трением воздуха о поверхность тела и, во-вторых, изменением движения потока, вызванным телом. В воздушном потоке, измененном присутствием тела, давление на передней стороне тела растет, а на задней - понижается по сравнению с давлением в невозмущенном потоке. Таким образом, создается разность давлений, тормозящая движущееся тело или увлекающая тело, погруженное в поток. Движение воздуха позади тела принимает беспорядочный вихревой характер.

Рис. 334. Тела, изображенные на рисунке, оказывают одинаковое сопротивление движению воздуха

Сила сопротивления зависит от скорости потока, от размеров и от формы тела. Рис. 334 иллюстрирует влияние формы тела. Для всех тел, изображенных на этом рисунке, сопротивление движению одинаково, несмотря на весьма разные размеры тел. Объяснение этому дает рис. 335, показывающий обтекание пластинки и «обтекаемого» тела потоком воздуха. На рисунке изображены линии тока, ограничивающие струи воздуха. Мы видим, что «обтекаемое» тело почти не нарушает правильности потока; поэтому давление на заднюю часть тела лишь немного понижено по сравнению с передней частью и сопротивление невелико. Напротив, за пластинкой образуется целая область беспорядочного вихревого движения воздуха, где давление сильно падает.

Рис. 335. а) Позади пластинки, помещенной в потоке, образуются вихри; давление значительно меньше давления . б) «Обтекаемое» тело плавно обтекается потоком; давление лишь немного меньше давления

Различные обтекатели, устанавливаемые на выдающихся частях самолета, как раз и имеют своим назначением устранять завихрения потока выступающими частями конструкции. Вообще же конструкторы стремятся оставлять на поверхности возможно меньшее число выдающихся частей и неровностей, могущих создавать завихрения (убирающиеся шасси, «зализанные» формы).

Оказывается, что главную роль играет при этом задняя часть движущегося тела, так как понижение давления вблизи нее больше, чем повышение давления в передней части (если только скорость тела или набегающего потока не очень велика). Поэтому особенно существенно придание обтекаемой формы именно задней части тела. Влияние сопротивления воздуха сильно сказывается и для наземных средств передвижения: с увеличением скорости автомобилей на преодоление сопротивления воздуха затрачивается все большая часть мощности двигателя. Поэтому современным автомобилям придают по возможности обтекаемую форму.

При движении со скоростью, большей скорости звука, «сверхзвуковой» скоростью (пули, снаряды, ракеты, самолеты), сопротивление воздуха сильно растет, так как летящее тело создает при этом мощные звуковые волны, уносящие энергию движущегося тела (рис. 336). Для уменьшения сопротивления при сверхзвуковой скорости нужно заострять переднюю часть движущегося тела, в то время как при меньших скоростях наибольшее значение имеет, как сказано выше, заострение его задней части («обтекаемость»).

Рис. 336. Около снаряда, движущегося со сверхзвуковой скоростью, возникают мощные звуковые волны

При движении тел в воде также возникают силы сопротивления, направленные противоположно движению тела. Если тело движется под водой (например, рыба, подводные лодки), то сопротивление вызывается теми же причинами, что и сопротивление воздуха: трением воды о поверхность тела и изменением потока, создающим дополнительное сопротивление. Быстро плавающие рыбы (акула, меч-рыба) и китообразные (дельфины, касатки) имеют «обтекаемую» форму тела, уменьшающую сопротивление воды при их движении. Обтекаемую форму придают и подводным лодкам. Вследствие большой плотности воды по сравнению с плотностью воздуха сопротивление движению данного тела в воде много больше сопротивления в воздухе при той же скорости движения.

Для обычных судов, идущих на поверхности воды, есть еще дополнительное волновое сопротивление: от идущего судна на поверхности воды расходятся волны (рис. 337), на создание которых непроизводительно затрачивается часть работы судовой машины.

Рис. 337. От идущего судна расходятся волны, уносящие энергию

Есть сходство между волновым сопротивлением, встречаемым судном, и сопротивлением, появляющимся при быстром полете снаряда вследствие возникновения звуковых волн; в обоих случаях энергия движущегося тела затрачивается на создание волн в среде. Однако корабль создает волны при любой скорости хода, звуковые же волны возникают только при сверхзвуковой скорости снаряда. Это различие связано с тем, что корабль создает волны на поверхности воды, приводя в движение границу раздела между жидкостью и воздухом; в случае же полета снаряда такой границы нет. Для уменьшения волнового сопротивления, которое для быстроходных судов может составлять свыше 3/4 полного сопротивления, корпусу судна придают специальную форму. Нос судна в подводной части иногда делают «бульбообразной» формы (рис. 338); при этом образование воли на поверхности воды уменьшается, а значит, уменьшается и сопротивление.

Рис. 338. «Бульбообразный» нос быстроходного судна

190.1. Если дуть на спичечную коробку, держа за ней зажженный жгут, то струя дыма отклоняется к коробке (рис. 339). Объясните явление.

190.2. На спицу надет легкий кружок, свободно скользящий вдоль нее. Если подуть на кружок слева, он скользнет по спице вправо (рис. 340, а). Если же подуть на кружок слева, надев предварительно на спицу экран перед кружком, то кружок скользнет налево и прижмется к экрану (рис. 340,б). Объясните явление.

Рис. 339. К упражнению 190.1

Рис. 340. К упражнению 190.2