Гидродинамическое сопротивление. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Гидродинамическое сопротивление - сила, действующая на тело и препятствующая его движению в жидкости (газе), а также сила, действующая на жидкость (газ) и препятствующая движению жидкости, соприкасающейся на границах потока с др. телами - твёрдыми, жидкими или газообразными. Г. с. направлено в сторону, противоположную движению. Определение Г. с.- одна из осн. задач гидроаэромеханики, решение к-рой позволяет найти необходимую тягу дви-гат. установок летат. аппаратов, морских и речных судов, скорость их движения, требуемые мощности энергоустановок, насосных и компрессорных станций, рассчитывать газовые, воздушные и гидравлич. сети, сан-техн. и вентиляц. устройства и др.

Г. с. - результат воздействия разностей давлений, возникающих при обтекании тел и касат. напряжений, действующих на границах соприкосновения тела и жидкости (газа) и состоит из сопротивления давления и сопротивления трения. Первое представляет собой проекцию на направление движения равнодействующей нормальных, а второе - касательных к поверхности составляющих силы, с к-рой жидкость действует на каждый элемент поверхности тела.

Сопротивление давления Х_д представляют как произведение разности давлений на передней и задней сторонах обтекаемого тела на площадь его миделевого сечения S. Разность давлений

пропорциональна скоростному напору

, где

- плотность жидкости (газа), v - скорость жидкости или тела. Сопротивление трения Х_тр также пропорционально q и площади соприкосновения тела с жидкостью; при известной форме тела эту площадь можно выразить через S. Полное Г. с. , где с_х- безразмерный коэф. сопротивления, зависящий от подобия критериев - Рейнолъдса числа Re и Маха числа M.

Если тело произвольной формы движется равномерно в безграничной жидкости, лишённой трения, так, что жидкость смыкается за телом, сопротивление давления Х_д равно нулю (см. Д-Аламбера - Эйлера парадокс ).При движении тела в вязкой жидкости за телом образуются вихри, не позволяющие жидкости (газу) смыкаться за телом, и сопротивление давления не равно нулю. Часть кинетич. энергии движущегося тела затрачивается на образование, отрыв и движение вихрей и по мере их рассеивания необратимо превращается в теплоту. Необратимо переходит в теплоту и часть кинетич. энергии, расходуемая на преодоление сопротивления трения Х_тр. Гл. часть Г. с. плохо обтекаемых тел (напр., пластинки, перпендикулярной потоку,- рис. 1) составляет сопротивление давления, а для хорошо обтекаемых тел (напр., тонкой пластинки, движущейся в своей плоскости,- рис. 2) Г. с. почти полностью состоит из сопротивления трения.

При движении тела на поверхности или вблизи поверхности тяжёлой жидкости возникает дополнительно волновое сопротивление. В случае движения тел в воздухе или ином газе Г. с. наз. аэродинамическим сопротивлением, к-рое подразделяют на составляющие: донное сопротивление, индуктивное сопротивление и волновое сопротивление.

Г. с., возникающее при движении жидкости (газа) по трубам, каналам, открытым руслам, обычно наз. гидравлич. сопротивлением. В этом случае часть энергии (напора) движущейся жидкости (газа) затрачивается на преодоление внутреннего (между частицами жидкости) и внешнего (между движущейся жидкостью или газом и ограничивающими поверхностями) трения в плавных участках тракта, а также на образование и отрыв вихрей в неплавных участках - при резких поворотах, расширениях или сужениях русла, перетекании через запорные и регулирующие устройства, решётки, фильтры и т. п. Энергия или напор движущейся жидкости (газа), затраченная на преодоление Г. с., наз. потерянной энергией (или напором) или просто потерями. Потери на трение зависят, в первую очередь, от длины рассматриваемого участка. Они определяются по ф-ле Вейсбаха:

, а все потери на местные сопротивления вычисляются по ф-ле

. Здесь

- потери полного давления, v_ср - ср. скорость жидкости (газа) перед входом в рассматриваемый участок,

- безразмерные коэф. потерь на трение и местные сопротивления, зависящие от распределения скоростей по сечению перед входом потока в рассматриваемый участок и от чисел Re и M. В соответствии с ф-лой Вейсбаха

, где

- коэф. трения, l- длина, a d_T - гидравлич. диаметр канала. Для определения

существуют разл. теоретические и эмпирич. ф-лы, учитывающие их зависимость от Re, M и шероховатости

поверхности. Полное Г. с. участка канала

Теоретич. расчёт Г. с. возможен лишь в простейших случаях (напр., при безотрывном обтекании нек-рых хорошо обтекаемых тел или при течении жидкости по прямой цилиндрич. трубе), поэтому в технике Г. с, определяют по эмпирич. зависимостям с_х и

от критериев подобия, полученным на основании многочисл. эксперим. исследований.

Литература по гидродинамическому сопротивлению

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.