Аэродинамика как наука. Строение атмосферы

1.

АЭРОДИНАМИКА КАК НАУКА. СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ

2.

РАЗДЕЛЫ
РАЗДЕЛЫАЭРОДИНАМИКИ
АЭРОДИНАМИКИ
• Аэродинамика – наука, изучающая
законы движения воздуха (газа) и
механическое
взаимодействие
между
воздухом
(газом)
и
движущимся в нем телом
• Гидроаэродинамика – раздел
аэродинамики, рассматривающий
воздух как несжимаемую жидкость
• Аэродинамика малых скоростей
• Аэродинамика
больших
скоростей (газовая динамика) –
изучает движение газа с большой
скоростью, близкой к скорости
распространения
звука
(проявляется сжимаемость воздуха
– газа)
• Гипераэродинамика – изучает
обтекание тел воздухом при очень
больших,
так
называемых
гиперзвуковых скоростях, которые в
5 и более раз превышают скорость
звука

3.

РАЗДЕЛЫ
АЭРОДИНАМИКИ
РАЗДЕЛЫ
АЭРОДИНАМИКИ
• Аэродинамика разреженных
газов (супераэродинамика) –
изучает обтекание тел сильно
разреженным газом,
встречающимся на больших
высотах
• Аэродинамика
ионизированного газа
(магнитоаэродинамикой) –
изучает движение с большими
гиперзвуковыми скоростями, при
которых возникают явления
ионизации молекул воздуха,
изменяющие его физические
свойства

4.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ АЭРОДИНАМИКИ
• Леонардо да Винчи (1452 – 1519 гг.). Эскизы
машины, машины вертикального взлета
проектов «крыльчатой»
• Исаак Ньютон (1642 – 1727 гг.). Зависимость величины аэродинамической
силы от плотности среды, площади несущей поверхности и квадрата
скорости перемещения
• М.В. Ломоносов (1711 – 1765 гг.) Зарождение аэродинамики как науки.
Исследования атмосферы, заложившие основы научной метеорологии
• Л. Эйлер (1707 – 1783 гг.). Создание теории несжимаемой (так называемой
идеальной) жидкости.
• Д. Бернулли (1700 – 1782 гг.) Вывел одно из важнейших уравнений
аэродинамики, дающее простое физическое объяснение образования
подъемной силы

5.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ АЭРОДИНАМИКИ
• Конец XIX века, 1882-1884 гг. – первый самолет А.Ф. Можайского
• 1903 г. – самолет братьев Райт
• Н.Е. Жуковский (1847 – 1921 гг.) – «Отец русской авиации»
• 1918 г. – образование ЦАГИ (Центральный аэрогидродинамический
институт). Н.Е. Жуковским и его учениками С.А. Чаплыгиным, В.П.
Ветчинкиным, Б.Н. Юрьевым и другими были заложены основы
современной аэродинамики
• К.Э. Циолковский (1857 – 1935 гг.). Разработал теорию реактивного
движения, обосновал возможность
полетов в
межпланетном
пространстве
• Российские и советские ученые, работавшие в области
аэродинамики: М.В. Келдыш, Н.Е. Кочин, С.А. Христианович, В.В.
Струминский, Я.М. Серебрийский, А.А. Дородницин и др.

6.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ В
ЗАВИСИМОСТИ ОТ СПОСОБА ЛЕТАНИЯ
• Аэродинамический
способ
–
летательный аппарат удерживается
в
воздухе
при
помощи
аэродинамической, так называемой
подъемной силы, возникающей от
взаимодействия тела с потоком
воздуха. Условием образования
аэродинамической силы является
относительное
перемещение
воздуха
и
тела
(самолеты,
крылатые ракеты и вертолеты)
• Баллистический
способ
летания
–
полет
свободно
брошенного тела, происходящий в
основном под действием силы
земного притяжения, за счет
предварительно
накопленной
кинетической
энергии
(баллистические ракеты)
• Промежуточный
класс
летательных
аппаратов
–
ракетопланы,
для
которых
применяются оба принципа полета,
аэродинамический
и
баллистический

7.

СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ И ЕЕ СВОЙСТВА
• Атмосфера – газовая
оболочка из воздуха,
окружающая земной
шар

8.

ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА ПО ВЫСОТАМ

9.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОЗДУХА
• Инертность – свойство воздуха сопротивляться изменению состояния покоя
или
равномерного
прямолинейного
движения
(второй
закон
Ньютона). Мерой инертности является массовая плотность воздуха.
Массовая плотность, также как масса воздуха, является мерой инертности
воздуха. Это является причиной сопротивления воздуха в полете
• Вязкость – способность жидкостей и газов сопротивляться усилиям сдвига
своих частиц. Наибольшей вязкостью обладают твердые тела, у которых
велики внутренние силы сцепления частиц. Газы, между молекулами которых
расстояния
достаточно
велики,
практически
не
сопротивляются
относительному сдвигу слоев частиц в свободном потоке. Однако, вязкость
газа, не проявляемая в свободном потоке, сильно сказывается при движении
потока вблизи твердой поверхности. Эффект «прилипания» (или
«смачивания») нижнего слоя потока приводит к торможению частиц в
вышележащих слоях
• Сжимаемость воздуха (или другого газа) – его способность изменять свой
объем и плотность при изменении температуры или давления

10.

ПАРАМЕТРЫ ВОЗДУХА
• Давление – это сила,
действующая на единицу
площади перпендикулярно ей
• Плотность воздуха – это
количество (масса) воздуха,
содержащегося в 1м3:
• Температура – величина,
характеризующая скорость
хаотического движения
молекул
где: – плотность воздуха
m – масса воздуха
V – объем воздуха

11.

АБСОЛЮТНАЯ ТЕМПЕРАТУРА
T0К = t0С + 2730
где:
Т0К – температура по
шкале Кельвина
t0С – температура по
шкале Цельсия
• Пример 1:
Температура воздуха у земли по
шкале
Цельсия
равна
7°.
Определить
температуру
воздуха на высоте 4 км по шкале
Кельвина
• Решение:
Т=2730+(-7)-6,5*4=2400 К
Ответ: Температура воздуха на
высоте 4 км равна 2400К

12.

СТАНДАРТНАЯ АТМОСФЕРА
• С подъемом на высоту параметры
• Изменение основных параметров
воздуха
изменяются:
давление
и
воздуха (давления, температуры и
плотность уменьшаются, а температура
плотности) влияет на величину сил,
вначале падает (в тропосфере), затем
возникающих
при
движении
остается постоянной, затем растет и
самолета в воздушном потоке
снова падает.
• Поэтому при полетах в разных
метеорологических
и
климатических
условиях
изменяются
летные
и
аэродинамические характеристики
воздушных судов

13.

СТАНДАРТНЫЕ АТМОСФЕРНЫЕ УСЛОВИЯ
• – это условия, соответствующие
средним значениям параметров
воздуха по высотам на средних
широтах северного полушария в
весенний или осенний период:
барометрическое давление: В
=760 мм рт. ст. (Ро= 10330 кгс/м2)
температура: t=+15°C (То=288 К)
массовая плотность:
о=0,125 кгс с2/м4
Единая стандартная атмосфера (ЕСА)
таблица усредненных значений
параметров воздуха в зависимости от
высоты

14.

ПРИМЕР РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУХА
• Расчет температуры воздуха
в
условиях
стандартной
атмосферы
на высоте Н, км
по шкале Цельсия:
• Пример 2:
Определить температуру
воздуха в условиях стандартной
атмосферы на высоте Н=2500м
Решение:
= 15 – 6,5 * 2,5 = -1,25
Ответ:
= - 1,25°C

15.

ЗАКОНЫ ИЗМЕНЕНИЯ ПЛОТНОСТИ И ДАВЛЕНИЯ
ВОЗДУХА НА ВЫСОТЕ (ДО 15 КМ)
где:
0 – плотность воздуха у
земли
P0 – давление воздуха у
земли
Н – плотность воздуха на
высоте Н, км
PН – давление воздуха на
высоте Н, км

16.

СВЯЗЬ МЕЖДУ ПАРАМЕТРАМИ ВОЗДУХА (УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ
ГАЗОВ КЛАЙПЕРОНА)
g R T,
где:
Т – абсолютная температура
R – газовая постоянная, равная
для воздуха:
Р – давление
– плотность
g – ускорение свободного
падения

17.

ПРИМЕР РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУХА
• Пример 3:
Определить массовую плотность воздуха на уровне моря,
если барометрическое давление В = 800 мм рт. ст., а
температура воздуха t = – 23°C
Решение:

18.

Задачи на определение параметров воздуха
Задача 1:
Температура воздуха у земли по шкале Цельсия равна:
1
2
3
4
5
-120
100
-10
210
-60
Определить температуру воздуха по шкале Кельвина на высоте:
1
2
3
4
5
5 км
3 км
7 км
2 км
8 км
Задача 2:
Определить температуру воздуха по шкале Кельвина
на той же высоте в стандартных атмосферных
условиях

19.

Задачи
на определение
параметров
воздуха
Задачи
на определение
параметров
воздуха
Задача 3:
Массовая плотность воздуха у земли равна:
1
2
3
4
5
0,120 кгс с2/м4
0,130 кгс с2/м4
0,150 кгс с2/м4
0,135 кгс с2/м4
0,140 кгс с2/м4
Определить массовую плотность воздуха на высоте:
1
2
3
4
5
5 км
3 км
7 км
2 км
8 км
Задача 4:
Определить массовую плотность воздуха на той же
высоте в стандартных атмосферных условиях

20.

Задачи
на определение
параметров
воздуха
Задачи
на определение
параметров
воздуха
Задача 5:
Барометрическое давление воздуха у земли равно:
1
2
3
4
5
720 мм рт. ст.
750 мм рт. ст.
730 мм рт. ст.
725 мм рт. ст.
780 мм рт. ст.
Определить барометрическое давление воздуха на высоте:
1
2
3
4
5
5 км
3 км
7 км
2 км
8 км
Задача 6:
Определить барометрическое давление воздуха на той же
высоте в стандартных атмосферных условиях