Закон Бернулли разъясняет нам, почему часто сталкиваются сближающиеся корабли. Когда корабли идут параллельно друг другу на небольшом расстоянии, борты их образуют канал, где возникает течение. Скоростной напор воды в узком пространстве между кораблями увеличивается и уменьшает здесь статическое давление: внешнее давление оказывается более сильным и сближает корабли вплоть до их столкновения при неумелом управлении судами.
Известно, что ветер может сорвать крышу с дома; но если спросить нас, каким образом это случается, большинство ответит, что ветер подхватывает крышу снизу и срывает ее, хотя трудно понять, как он может проникнуть под крышу, плотно прилегающую к стене. В действительности дело обстоит совсем не так. Над крышей ветер скоростным напором уменьшает статическое давление, которое под крышей, оставаясь неизменным, становится бóльшим, чем над крышей: разность давлений и срывает крышу.
Испытание модели здания на сопротивление воздуху в аэродинамической трубе.
Любопытно, что до развития аэродинамических знаний крыши зданий рассчитывались на прочность только из учета давления сверху. Возможность давления изнутри никому не приходила в голову, так как срыв крыш при ветре объяснялся совсем неправильно.
Другой важнейший закон аэродинамики определяет сопротивление воздуха движению в нем твердых тел. Теорию сопротивления воздуха впервые разработал Ньютон, но теория Ньютона оказалась в большом противоречии с опытом.
Ньютон предполагал, что когда в воздухе движется твердое тело, то частицы воздуха ударяются о его поверхность и совместное действие этих ударов порождает сопротивление воздуха. А тем, что делается с частицами воздуха после ударов их о тело, ученый не интересовался, и, согласно его теории, получалось, что сопротивление воздуха телу с определенной скоростью движения зависит только от поперечного сечения его. Будет ли это круглая пластинка, или шар, или сигара, — раз они имеют один и тот же диаметр в наибольшем сечении, они должны испытывать одинаковое сопротивление воздуха.
Несмотря на противоречие с действительностью, теория Ньютона, известная под названием «обыкновенной теории сопротивления», оставалась общепринятой очень долго. Этому, конечно, способствовал огромный научный авторитет ученого, но были и другие, очень существенные причины такого положения дела.
Во времена Ньютона и значительно позднее механика, то-есть учение о движении и равновесии физических тел, рассматривалась как прикладная часть математики и все вопросы механики решались путем математического исследования. Этим путем и шел Ньютон, исследуя тот невидимый процесс взаимодействия между телом и частицами среды, который составляет причину сопротивления.
Но «…ни точных наблюдений, ни тем паче каких-либо точных законов сопротивления, которые могли бы лечь в основу математического анализа, могли бы служить поводом для составления удовлетворительной гипотезы, — ни у Ньютона, ни у других математиков, занимавшихся этим вопросом, не было, — говорит Менделеев. — Пришлось задаться произвольными гипотезами, берущими начало в первом знакомстве с предметом, — в наблюдении, а не в измерении или опыте. А если явление сложно, как сопротивление среды, то такой путь никогда не приводит к верным, согласным с природою следствиям. Это видно во всем историческом развитии точных знаний».
История развития аэродинамических знаний свидетельствует о том, что и аэродинамика не составляет исключения из общего правила.
«Истинный путь, ведущий длинным, но зато верным способом к теоретическому пониманию сложных явлений, состоит в опыте и измерении отдельных частностей сложного явления, — учил Менделеев. — В опыте устраняются побочные, осложняющие обстоятельства, а измерения, производимые при опытах, составляют главную возможность проверки и гипотез, а потом теорий».
Только идя этим истинным путем, удалось внести ясность в вопросы сопротивления среды.
Наблюдения показали, что в действительности сопротивление пластинки значительно больше, чем сопротивление шара, а сопротивление шара больше, чем сопротивление рыбообразного тела. Ньютон принимал во внимание лишь действие воздуха на переднюю часть движущегося тела, в то время как на тело в действительности оказывают воздействие частицы воздуха со всех сторон. При движении тела частицы воздуха образуют определенный поток, который в зависимости от формы тела обтекает его более или менее плавно.
Правда, опыты производятся не с движущимся телом, а с воздухом, набегающим на тело, но из физики известно, что принцип обратимости приложим и в аэродинамике, так что сила сопротивления воздуха будет одинаковой, независимо от того, движется ли тело в воздухе или воздух набегает на тело. Разница заключается только в том, что в первом случае воздух стремится затормозить движение тела, а во втором, наоборот, он стремится двигать тело в направлении воздушного потока. Но там и тут силы воздействия вызываются сопротивлением и подчиняются одним и тем же законам.
Закон Бернулли в известной мере помогает понять, почему сопротивление воздуха телам разной формы неодинаково.
Дело в том, что плавного, невозмущенного обтекания вообще нет. Если мы хотим укрыться от ветра, то мы становимся за угол дома, куда ветер не забегает и где образуется область «аэродинамической тени». Если бы существовало плавное обтекание, то такой тени не получилось бы и от ветра было бы невозможно укрыться. Дело обстоит не так. Потоки воздуха по инерции срываются с обтекаемой им стены, и за углом, в тени его, образуется область с беспорядочным движением. Вследствие увеличения скоростного напора уменьшается давление в потоке, и это пониженное давление передается и в область аэродинамической тени, так что за углом дома или испытываемым на сопротивление телом — например, за пластинкой — образуется область пониженного давления. В то же время перед пластинкой или перед домом создается повышенное давление вследствие уменьшения скорости воздушного потока, наталкивающегося на препятствие.
Пластинка является, разумеется, бóльшим препятствием, чем шар, ибо воздух обтекает шар более плавно, чем пластинку, и сопротивление воздуха тут будет меньше, так как разность давлений перед шаром и позади его будет меньше, чем перед пластинкой и за ней. В случае же сигарообразного тела срыв струй и беспорядочное вихреобразование становятся настолько незначительными, что разности давлений перед телом и позади него почти не получается.
Движение воздушных струй, встречающих на своем пути пластинку, стоящую перпендикулярно к потоку.
Сопротивление воздуха такому хорошо обтекаемому телу раз в двадцать пять меньше, чем сопротивление пластинке. Можно считать, что сопротивление воздуха хорошо обтекаемому телу обусловливается только трением воздуха о поверхность тела.
Так обстоит дело с сопротивлением, когда воздушный поток обтекает тело симметрично, одинаково со всех сторон. Сопротивление, возникающее в зависимости от формы тела и от трения воздуха, называется лобовым сопротивлением, и при симметричном обтекании оно только тормозит движение тела.
Нечто совершенно иное получается при несимметричном обтекании, когда, скажем, пластинка поставлена под некоторым углом к воздушному потоку. В этом случае сила воздействия воздуха, возникающая в результате разности давлений под пластинкой и над нею, будет направлена не по воздушному потоку, а под углом к нему. Возникает подъемная сила, направленная перпендикулярно к потоку, которая стремится отнести пластинку или вверх, или в сторону, в зависимости от положения пластинки.
