Войти
sport-in » Статьи » Плавание » Основные понятия и закономерности гидродинамики

Основные понятия и закономерности гидродинамики

0 36 спортстатьи 05-09-2020 13:52 Плавание

Основные понятия и закономерности гидродинамикиДинамическое взаимодействие тела пловца с водой зависит от скорости движения тела относительно воды. Для теоретического анализа безразлично, тело ли движется с некоторой скоростью относительно покоящейся жидкости или неподвижное тело обте­кается потоком воды с той же скоростью — принцип обращения движения.

Взаимодействие тела с потоком воды обусловлено наличием сил внутреннего трения и давления. Силы трения F на­правлены по касательной к по­верхности тела, силы давления Р — перпендикулярно к ней.

При движении тела в воде рас­пределение давления отличает­ся от его распределений в поко­ящейся жидкости. В потоке воз­никают области повышенного и пониженного давлений. Область- повышенного давления образует­ся, как правило, на той части те­ла, на которую направлен поток.

Воображаемые линии внутри потока, вдоль которых происхо­дит движение жидкости, называ­ют линиями тока. Они как

бы разбивают жидкость на от­дельные струйки, которые текут рядом не смешиваясь. Такую от­дельную струйку называют трубкой тока ).

За один и тот же интервал времени через произвольно взятые сечения струйки Si и S2 проходит одинаковая масса воды:

Pi* Vi*Si= р2 * V2*S2.

где pi и р2 — плотность воды в сечениях Si и S2, a Vi и V2 — скорость потока в тех же сечениях.

Поскольку вода сжимается незначительно, можно считать, что р1«рг. Отсюда уравнение имеет вид:

Vi*Si= = V2-S2.

Это выражение называют уравнением неразрывности струи. Из него следует, что скорость потока изменяется обратно пропорци­онально изменению площади его сечения. Там, где линии тока суживаются, скорость потока возрастает и наоборот.

Если в поток воды опустить манометр и повернуть его мем­брану параллельно потоку или позволить мембране двигаться вместе с потоком с той же скоростью, то манометр покажет ве­личину статического давления воды. Это давление мо­жно представить как давление потока воды на поверхность, вдоль которой он движется.

Показания неподвижного манометра, мембрана которого по­ставлена перпендикулярно и навстречу потоку, называют пол­ным давлением воды. Разность между полным давлением и статическим составляет величину так называемого динамического напора, который обусловлен движением жидкости и проявляется при ее торможении или при ее разгоне. Там, где ли­нии тока суживаются, скорость движения струи увеличивается, ди­намический напор возрастает и одновременно снижается статиче­ское давление. И напротив, там, где линии тока расширяются, скорость движения и динамический напор струи падают и стати­ческое давление повышается. Полное давление в любом сечении каждой отдельной струи потока воды остается постоянным.

Зависимость между скоростью потока и давлением в нем, из­вестная как закон Бернулли, помогает анализировать явления, связанные с движением тел в воде.

Рассмотрим характер симметричного обтекания тела потоком жидкости. Перед телом поток воды замедляется. В то­чке А поток разветвляется и его скорость уменьшается до нуля, а давление Р возрастает. В обе стороны от точки А к точкам В и В1 скорость потока вновь увеличивается, а давление уменьша­ется.

Постепенно частицы пограничного слоя воды благодаря тре­нию теряют свою скорость и, не достигнув точки Д, начинают воз­вратное движение. Почти около точек С и С\ прямое и об­ратное течения сталкиваются, поток отрывается от поверхности тела, позади тела образуется область беспорядочного вихревого движения воды и давление здесь падает. Равнодействующая сил давления воды на тело направлена по потоку назад и тормозит движение тела.

Поскольку вода обладает вязкостью, то вокруг движущегося тела образуется так называемый пограничный слой, т. е. слой воды, который движется как бы вместе с телом. Скорость течения воды около тела быстро возрастает от нуля на поверхно­сти тела (здесь имеет место «прилипание» воды к телу) до пол­ной скорости обтекающего потока воды. Вследствие этого возни­кают силы внутреннего трения F (см. рис. 6). Они приложены по касательной к поверхности тела и также тянут его по потоку назад.

Как видим, сила R, с которой вода действует на движущееся в ней тело, складывается из сил трения и сил давления. Называ­ют ее силой реакции воды.

Сила, скорость и ускорение есть векторные величины. Они всегда действуют в определенном направлении. Графически вектор изображается прямолинейным отрезком, длина которого в выбранном масштабе соответствует численному значению век­тора, а направление действия указывается стрелкой на конце от­резка.

Вектор силы реакции воды R в общем случае направлен под углом к направлению движения тела. Его можно пред­ставить в виде суммы двух других векторов, т. е. разложить на составляющие. Направление действия составляющих выбирают заранее. Обычно вектор R, применяя правило параллелограмма, раскладывают по двум направлениям: по потоку воды и перпен­дикулярно к нему (см. рис. 8). В этом случае одна из составляю­щих Rx, направленная параллельно потоку, называется силой лобового сопротивления. Другая составляющая Rv, — на­правленная перпендикулярно к потоку, называется подъем­ной силой.

Ориентацию тела в потоке характеризуют углом атаки. Это острый угол а между продольной осью тела и направлением дви­жения.

С увеличением угла атаки коэффициент лобового сопротивле­ния непрерывно повышается и достигает максимума, когда тело занимает положение, перпендикулярное к потоку воды (а=90°). Отклонение рабочей плоскости на 15—20° от перпендикулярного положения не оказывает существенного влияния на величину ко­эффициента.

Величина коэффициента подъемной силы также зависит от формы и профиля тела, угла атаки и других факторов. Величина коэффициента резко возрастает при изменении угла атаки от ну­ля до 18—20°. С дальнейшим увеличением угла атаки величина коэффициента резко падает. При угле атаки 90° она становится равной нулю.

Теоретически вычислить коэффициенты Сх и Су трудно. Поэто­му их находят опытным путем для тел различных размеров, фор­мы и профиля.

Замена силы R двумя составляющими Rx и Ry является услов­ной. В действительности имеется лишь одна сила — сила реакции воды. Направление ее действия приближается к перпендикуляру, опущенному на поверхность тела или рабочих звеньев пловца, взаимодействующих с потоком.

Оригинал статьи размещен здесь:Источник
Как к вам обращаться: Ваш E-Mail:  

Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив

Введите код: