Прежде всего нужно запомнить главную формулу аэродинамики - формулу полной аэродинамической силы.
Полная аэродинамическая сила - это сила, с которой набегающий воздушный поток воздействует на твердое тело.
Центр давления - точка приложения этой силы.
где R - полная аэродинамическая сила; Cr - коэффициент полной аэродинамической силы; q - динамический напор; S - эффективная площадь тела.
где р - плотность воздуха; V - скорость тела относительно воздуха (или «воздушная скорость» тела).
Сила воздействия воздушного потока на твердое тело зависит от многих параметров, главными из которых являются форма и ориентация тела в потоке, линейные размеры тела и интенсивность воздушного потока, определяющаяся его плотностью и скоростью.
Из формулы видно, что сила воздействия воздушного потока на тело зависит от линейных размеров тела, интенсивности воздушного потока, которая определяется его плотностью и скоростью, и коэффициента полной аэродинамической силы Сr.
Наибольший интерес в этой формуле представляет коэффициент Сr, определяющийся множеством факторов, главными из которых являются форма тела и его ориентация в воздушном потоке.
Аэродинамика - наука экспериментальная. Формул, позволяющих абсолютно точно описать процесс взаимодействия твердого тела с набегающим потоком воздуха, пока нет.
Однако было замечено, что тела, имеющие одинаковую форму (при разных линейных размерах), взаимодействуют с воздушным потоком одинаково. Можно сказать, что Сr = R при продувке тела некоторого единичного размера воздушным потоком единичной интенсивности.
Такого рода коэффициенты очень широко используются в аэродинамике, т.к. они позволяют исследовать характеристики летательных аппаратов (ЛА) на их уменьшенных моделях.
Рис. 2. В полете «Стаер». Аппарат разработан в дельтаклубе МАИ Михаилом Петровским в 1999 г.
При взаимодействии твердого тела с потоком воздуха неважно, движется ли тело в неподвижном воздухе или неподвижное тело обтекается движущимся воздушным потоком. Возникающие силы взаимодействия будут одинаковы.
Но с точки зрения удобства изучения этих сил проще иметь дело со вторым случаем. На этом принципе основана работа аэродинамических труб, где неподвижные модели ЛА обдуваются потоком воздуха, разгоняемым мощными вентиляторами.
Однако даже незначительные неточности в изготовлении моделей могут внести определенные ошибки в измерения. Поэтому аппараты небольших размеров продуваются в трубах в натуральную величину (см. рис. 3).
Рассмотрим примеры обтекания воздухом трех тел с одинаковым поперечным сечением, но разной формы: пластины, установленной перпендикулярно потоку, шара и тела каплевидной формы. В аэродинамике существуют, возможно, не совсем строгие, но очень понятные термины: удобообтекаемое и неудобообтекаемое тело.
Рис. 3. Продувка в аэродинамической трубе ЦАГИ параплана «Крокус-спорт» специалистами фирм «ASA» и «Параавис»
На приведенных рисунках видно, что труднее всего воздуху обтекать пластину. Зона вихрей за ней максимальная. Закругленную поверхность шара обтекать проще. Зона вихрей меньше. А сила воздействия потока на шар составляет 40% от силы воздействия на пластину. Но проще всего потоку обтекать тело каплевидной формы. Вихри за ним практически не образуются, a R капли составляет лишь 4% от R пластины (см. рис. 4, 5, 6).
Рис. 4, 5,6. Зависимость величины полной аэродинамической силы от формы обтекаемого тела
В рассмотренных выше случаях сила R была направлена по потоку. При обтекании же некоторых тел полная аэродинамическая сила может быть направлена не только вдоль потока воздуха, но и иметь боковую составляющую.
Если выставить из окна быстродвижущегося автомобиля сжатую ладонь и расположить ее под небольшим углом к набегающему потоку воздуха, то можно почувствовать, как ладонь, отбрасывая воздушную массу в одну сторону, сама будет стремиться в противоположную, как бы отталкиваясь от набегающего потока воздуха (см. рис. 7).
Рис. 7. Схема обтекания наклоненной пластины
Именно на принципе отклонения полной аэродинамической силы от направления движения воздушного потока основывается возможность полетов почти всех типов ЛА тяжелее воздуха.
Планирующий полет безмоторного летательного аппарата можно сравнить со скатыванием санок с горы. И санки, и ЛА все время движутся вниз. Источником энергии, необходимой для движения аппарата, является ранее набранный запас высоты. Как саночник, так и пилот безмоторного ЛА перед полетом должны подняться на гору или набрать высоту каким-либо иным образом. Как для санок, так и для безмоторного ЛА движущей силой является сила тяжести.
Для того чтобы не привязываться к какому-либо конкретному типу ЛА (параплан, дельтаплан, планер), можно считать ЛА материальной точкой. Пусть по результатам продувок в аэродинамической трубе было определено, что полная аэродинамическая сила R отклоняется от направления движения воздушного потока на угол θ (см. рис. 8).
Рис. 8. Несколько позже мы убедимся, что при обтекании воздухом шарообразного тела сила R может отклоняться от направления потока, и разберем, когда и почему это происходит.
Если представить, что можно поднять исследуемое тело на некоторую высоту и отпустить его там (пусть воздух будет неподвижен) сначала тело будет падать вертикально вниз, разгоняясь с ускорением, равным ускорению свободного падения, т.к. единственной силой, действующей на него в эти мгновения, будет направленная вниз сила тяжести G.
Однако по мере нарастания скорости в действие вступит аэродинамическая сила R. Величина и направление действия силы R (относительно направления движения воздушного потока) не изменятся. Сила R начинает отклонять траекторию движения тела. Причем вместе с изменением траектории полета будет меняться и направление действия R относительно поверхности земли и силы тяжести G (см. рис. 9).
Рис. 9. Силы, действующие на падающее тело
Из 1-го и 2-го законов Ньютона следует, что тело будет двигаться равномерно и прямолинейно, если сумма действующих на него сил равна нулю.
Как говорилось ранее, на безмоторный ЛА действуют две силы:
ЛА выйдет на режим прямолинейного планирования, когда эти две силы уравновесят друг друга. Сила тяжести G направлена вниз. Очевидно, что аэродинамическая сила R должна смотреть вверх и быть той же величины, что и G (см. рис. 10).
Рис. 10. Установившееся прямолинейное планирование
Аэродинамическая сила R возникает при движении тела относительно воздуха, она определяется формой тела и его ориентацией в воздушном потоке. R будет направлена вертикально вверх, если траектория движения тела (его скорость V) будет наклонена к земле на угол 90-θ.
Очевидно, что для того, чтобы тело летело «далеко», нужно, чтобы угол отклонения полной аэродинамической силы от направления движения воздушного потока θ был максимально большой.
