Реферат: Технология аэродинамической трубы для болидов Формулы 1

Управлениеобразования Администрации г. Екатеринбурга

Управлениеобразования Администрации  Кировскогорайона г. Екатеринбурга

Негосударственноеобразовательное учреждение СОШ «Индра»

Технология аэродинамической трубы для болидов Формулы1.

Направление:           

научно-техническое

Исследовательская работа (реферат)

по физике

 

Исполнитель,

ученик 8 класса

Ю. А. Бондин

Учитель физики СОШ «Индра»

М. Ю. Бондина

Руководитель,

директор по развитию

ЗАО «Адаптируемые Прикладные Системы»,

к.т.н., доцент

А. Р. Бондин

                                                                                               

г.Екатеринбург

2005г.

<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language: AR-SA">

Содержание

 TOC o «1-3» h z u Введение.PAGEREF _Toc95716168 h 3

1. Основы аэродинамики.PAGEREF _Toc95716169 h 4

1.1.Ошибка Ньютона.PAGEREF _Toc95716170 h 6

1.2.Эффект Бернулли.PAGEREF _Toc95716171 h 10

1.3.Приборы для измерений давлений и скоростей в потоке.PAGEREF _Toc95716172 h 12

1.4.Обтекание тел воздушным потоком.PAGEREF _Toc95716173 h 15

2. Аэродинамика болида Формулы 1.PAGEREF _Toc95716174 h 19

2.1Передние и задние антикрылья.PAGEREF _Toc95716175 h 19

2.2.Диффузор.PAGEREF _Toc95716176 h 22

2.3.Боковые дефлекторы.PAGEREF _Toc95716177 h 23

2.4.Воздухозаборник.PAGEREF _Toc95716178 h 24

2.5.Слипстрим.PAGEREF _Toc95716179 h 25

3. Аэродинамические трубы.PAGEREF _Toc95716180 h 27

3.1.История создания и развития технологии аэродинамической трубы.PAGEREF _Toc95716181 h 28

3.2.Конструкции аэродинамических труб.PAGEREF _Toc95716182 h 31

3.3.Аэродинамические трубы для болидов Формулы 1.PAGEREF _Toc95716183 h 34

3.4. Вазовскаятруба.PAGEREF _Toc95716184 h 41

Использованные источники.PAGEREF _Toc95716185 h 44

<span Arial",«sans-serif»;mso-fareast-font-family: «Times New Roman»;mso-font-kerning:16.0pt;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">
Введение.

Не секрет, чтоФормула-1 (F1) один из самых зрелищных видов спорта и уступает по количествузрителей разве, что только чемпионату мира по футболу. Тысячи зрителей натрибунах автодромов и миллионы телезрителей у своих экранов два часа с азартомнаблюдают за автомобилями Формулы-1, несущимися по трассе с бешеной скоростью.На прямых болиды развивают скорость до 380 км/ч (Хоккенхайм — Дэвид Култхард) ите, кто сидят на трибунах видят автомобиль считанные секунды, не всегда успеваяразличить шлем пилота. Именно скорость делает Формулу-1 стольпопулярной.

В идеалеединственно важная цель гоночного болида Формулы 1 — победить. И лучшая — именно та конфигурация и начинка машины, которая помогает достичь этого.

Существуетмножество факторов, которые нужно учитывать при создании этих невероятносложных машин. Основные элементы болида — монококовое шасси, корпус, подвеска,двигатель и колеса. Конструктор должен найти оптимальные решения для каждого изэтих элементов, чтобы создать лучшее, что может позволить себе команда, исходяиз бюджета.

Подвескаобеспечивает механическое сцепление, через амортизаторы и демпферные механизмы,а грамотно направленный воздушный поток влияет на аэро-сцеплениеи создает прижимающую силу. Многие дни конструкторы проводят в аэродинамическойтрубе, работая над настройками аэро-начинки с целью обеспечениямаксимальной прижимающей силы на каждом торможении. Оптимальными настройкамиаэро- и механических элементов достигается оптимальная управляемость, и пилотполучает возможность атаковать повороты, не опасаясь недоповорачиваемости(когда болид сносит в сторону) и переповорачиваемости (когда болид поворачиваетслишком резко, и теряет сцепление задний мост), будучи уверен в своей машине.

Когда машинасобрана, ответственность за правильность настроек, касающихся механического иаэро-сцепления, лежит на главном конструкторе. Он может менять первоначальныеустановки (закрылки влияют на аэро-показатели, демпфера и валки — намеханические) с целью достижения конфигурации, наиболее подходящей для пилота,его стиля вождения. Конечно, решающую роль играет мнение самого гонщика. Еслион не доволен машиной, ему будет тяжело показать на ней лучший пилотаж.

Принимая всеэто во внимание, становится ясно, что современный болид Формулы 1 — оченьнепростая вещь. Сложность и необходимая точность при создании деталей требуетбольших денежных затрат, требует много времени, множество людей трудится надтем, чтобы сделать болид совершенным — впрочем, здесь не стоит употреблятьслово «совершенный», ведь в F1 нет идеальных механизмов.

Непрерывноеразвитие, прогресс необычайно важны, и недели простоя непременно обойдетсяпотерей нескольких драгоценных сотых секунды по сравнению с соперниками.Качество деталей все время улучшается, большинство команд на протяжении сезонаиспользуют по две-три модели двигателя, и к концу года машина может быть ужесовсем другим зверем, не тем, с которым начиналась кампания. Работаконструктора в Формуле 1 никогда не заканчивается.

Я увлекаюсь гонками Формулы 1, регулярно смотрю этапычемпионата и болею за команду FERRARI(и ее первого пилота — Михаэля Шумахера). Я взялся за работу над этим рефератом,потому что мне было очень интересно узнать, почему одни болиды выигрывают, адругие нет. Существует множество факторов успеха команд в гран-при: шины,мотор, мастерство пилота, тормоза, подвеска и еще многое другое. Но темой данногореферата является изучение аэродинамических свойств болида,  поскольку именно они, прежде всего, определяютрезультат гонки. Для этого были поставлены следующие   цели:изучить основы аэродинамики, элементы аэродинамического пакета болида, познакомитьсяс историей создания, конструкцией и классификацией аэродинамических труб, наопыте  исследовать силу и коэффициентаэродинамического сопротивления.

1. Основы аэродинамики.

Аэродинамикучасто называют «черной магией». Возможностьзаставить нечто невидимое сделать для вас какую-либо работу поистинезавораживает. Специалист по аэродинамике, придав гоночному болиду определеннуюформу, может заставить воздушные потоки обтекать болид именно так, а не иначе, ноэтатема всегда закрыта в разговорах с инженерами, потому что каждая изкоманд в этом компоненте хочет опередить своих соперников хотя бы на один шаг.

<span Times New Roman",«serif»">Не секрет, что Формула 1 за последниедесятилетие стала самым высокотехнологичным соревнованием в мире, где всеголишь одна десятая секунды может разделить победителя и проигравшего. Наряду смотором и резиной, одну из самых важных ролей в производительности болидаиграет аэродинамика. Зачастую именно удачный аэродинамический пакет болида,подготовленный к очередному Гран При решает исход гонки.

<span Times New Roman",«serif»">Аэродинамика

<span Times New Roman",«serif»"> — наука,изучающая процессы обтекания твердых тел жидкостями и газами. Применительнок Формуле-1 аэродинамика одна из главных наук, используемых при проектированииболидов.

<span Times New Roman",«serif»">Конструктор, создавая болид, пытаетсядобиться компромисса, между его аэродинамическим сопротивлением и прижимнойсилой, поэтому в аэродинамике болида

<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US">F<span Times New Roman",«serif»">1 две большие области исследования- это аэродинамическое торможение, из-за которого болид теряетскорость, и сила, прижимающая болид к трассе.  

Начнем нашерассмотрение с аэродинамического торможения. Аэродинамика — понятие довольно запутанное. Откуда могут взяться какие-то там силы, ведьничего же нет?! Что ж, небольшое предварительное обсуждение, внесет некоторую ясностьв этот вопрос и поможет понять, о чем идет речь.

Представьте,что вы ведете свою машину по дну огромной цистерны с водой — торможение налицо,не так ли? А теперь представим, что в цистерне воздух. Теперь нечему вызватьторможение? Ошибаетесь! Любая жидкость и любой газ состоят из частичек,способных скользить относительно друг друга.

Некоторыечастички сильнее прилипают к остальным, и не могут двигаться просто так. Этоназывается вязкостью. Когда жидкость или газ (например, вода иливоздух) двигается над неподвижной поверхностью, прослойка частичек, наиболееблизко расположенных к этой поверхности, прилипает к ней. Слой частичек,расположенный непосредственно над ним, двигается, но не так быстро, как мог бы,потому что его тормозят неподвижные частички на поверхности. Слой частичек надним тоже тормозится, но уже не так сильно, и так далее. Чем дальше отнеподвижной поверхности, тем быстрее движутся частички, пока их скорость несравняется со скоростью основного потока. Слой, в котором частички движутсязамедленно, называется приграничным слоем и появляется на любойповерхности. Этот слой создает один из трех компонентов аэродинамическоготорможения, называемый фрикционным сопротивлением обшивки.

Сила,затрачиваемая на то, чтобы раздвинуть молекулы воздуха при движении, создаетвторой компонент аэродинамического торможения — так называемое лобовоесопротивление. В аэродинамике размеры очень важны! Хотя вы и не можетеэтого почувствовать, но проталкивать плашмя сквозь вязкий воздух блюдце легче,чем большую тарелку, просто из-за того, что при движении тарелки вам придетсясдвинуть с места большее число молекул воздуха — ведь ее поверхность больше.

Точно так жеот величины фронтальной поверхности болида зависит испытываемое им лобовоесопротивление (фронтальная поверхность — это то, что видно привзгляде на болид спереди). Чем меньше эта поверхность, тем меньше молекулболиду придется расталкивать при движении, тем меньше лобовое сопротивление.Чем меньше энергии двигатель машины расходует на расталкивание молекул воздуха,тем больше ее остается для разгона болида по трассе, и соответственно, тембыстрее будет двигаться болид при той же мощности двигателя.

К несчастью,не все так просто. Форма движущегося объекта также играет немалую роль, ведь отнее зависит, насколько легко будут расступаться молекулы воздуха. Воздухследует за движущейся поверхностью, поэтому протолкнуть сквозь воздух плоскуютарелку труднее, чем миску с покатыми стенками, даже если площадь ихфронтальных поверхностей одинакова. Воздух будет с легкостью обтекать стенкимиски, в то время как на плоской поверхности тарелки поток воздуха будетзастревать.

Исследователив области аэродинамики установили, что наиболее выгодная с точки зрениялегкости обтекания воздухом форма объекта — каплеобразная, сзакругленной передней частью и вытянутой задней. Большинство людей с удивлениемузнают об этом, поскольку кажется очевидным, что пронизывать воздух лучшевытянутым заостренным объектом, а не чем-то толстым и закругленным. Так мыпостепенно приближаемся к обсуждению проблемы отрыва воздушного слоя.

Когда воздухследует за изгибом поверхности (или просто изменяет направление движения), унего не возникает никаких проблем пока изгиб его траектории остается небольшим.Если же изгиб очень крут, или направление движения неожиданно резко изменяется(как это бывает при встрече с заостренным объектом), воздуху приходитсяоторваться от поверхности, поскольку ему уже не хватает энергии следовать заней. Обычно такая ситуация нежелательна, поскольку при этом приграничный слойстановится больше и начинает тормозить воздушный поток перед объектом — фактически действуя как твердый барьер. Таким образом, заостренный объект,который вроде бы должен с легкостью пронизывать воздух, на самом делеиспытывает сильное аэродинамическое торможение!

Третийкомпонент аэродинамического торможения называется «аэродинамическимсопротивлением». Оно появляется как побочный продуктаэродинамической прижимной силы. Вот почему, мечта специалиста по аэродинамикеболида F1 свести к нулюторможение и довести до максимума прижимную силу так и останется мечтой!

Три компонентааэродинамического торможения сильно усложняют задачу проектировщика болидов!Чем больше аэродинамическое торможение, тем усерднее должен работать двигательболида для того, чтобы машина двигалась на определенной скорости.

Мощностьмоторов, тем не менее, постоянно растет, и высокой скорости движения можнодостичь даже при сильном аэродинамическом торможении. Поэтому цельконструкторов болидов Формулы 1 прежде всего в том, чтобы достичь максимальнойприжимной силы, а потом уже разбираться с аэродинамическим торможением.

Специалистампо аэродинамике просто катастрофически не хватает прижимной силы!Чем большее усилие им удается извлечь из воздуха, тем большее усилие передаетсяна поле зацепления покрышек и тем сильнее будет сцепление покрышек с поверхностьютрека. Так как же они этого добиваются?

Чтобы всеобъяснить, возьмем для примера самую простую аэродинамическую форму – крыло,при помощи которого самолеты получают возможность летать. До семидесятых годовникому и в голову не приходила замечательная мысль перевернуть его с ног наголову, чтобы та подъемная сила, которая отрывает самолет отвзлетно-посадочной полосы, могла использоваться для прижимания болида к треку.

Таким образом,в аэродинамике Формулы 1 начал происходить переворот. Ранее целью конструкторовбыло сведение к минимуму лобового сопротивления за счет округлых форм болида,но теперь болид Формулы 1 — все что угодно, только не гоночный автомобиль сокруглой формой обшивки и минимальным лобовым сопротивлением, поскольку напервое место вышла прижимная сила.

<span Times New Roman",«serif»">Процессы взаимодействия твердых тел сжидкостями и газами (при малых скоростях и температурах набегающего потока)описываются одними и теми же уравнениями. При больших скоростях (около — исверхзвуковых) воздух начинает сжиматься и вести себя существенно иначе. Далеебудут рассматриваться основы аэродинамики только малых (дозвуковых) скоростей,поскольку скорости болидов

<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language: EN-US">F<span Times New Roman",«serif»">1 хотя и очень велики (до 350 км/ч), нозначительно меньше скорости звука (1220 км/ч).1.1. Ошибка Ньютона.

В основы аэродинамики легли исследования великихученых, таких как Ньютон и Бернулли.

В1686 году Ньютон издал свою знаменитую книгу «Математические началанатуральной философии» — эту первую, говоря его словами, попытку «подчинитьявления природы законам математики». В ней был намечен путь к познанию, какприроды сопротивления воздушной среды, так и причины возникновения подъемнойсилы на плоской, наклонной пластинке. Ньютон попытался облечь отдельные, частоеще неясные представления о причине сопротивления воздуха в стройную системувзглядов. Его последователи и продолжатели перевели эти взгляды на краткий,выразительный язык математических символов.

Восновном, существо взглядов Ньютона сводилось к следующему. Воздухпредставляет собой скопление бесчисленного множества бесконечно малых частиц.Частицы подобны маленьким твердым шарам — они не взаимодействуют друг с другом,не обладают упругостью, трение между ними ничтожно мало. Как при дождеотдельные капли ударяют по руке, так, по Ньютону, на всякое тело, введенное ввоздушный поток, обрушивается град мельчайших шаров — отдельных частичеквоздуха.

Чембольше поперечные размеры тела, тем больше шаров ударит по нему за единицувремени: сила удара прямо пропорциональна площади поперечного сечения тела,движущегося в воздухе.

Чемплотнее воздух — больше шаров в единице объема — сильнее будет их удар по телу,движущемуся с прежней скоростью: сила удара прямо пропорциональна плотноститой среды, в которой движется тело.

Чтопроизойдет, если тело начнет двигаться быстрее? — ставил вопрос Ньютон. Пусть,отвечал он, тело начнет двигаться, например, в три раза быстрее. Тогда заединицу времени оно успеет встретить на своем пути в три раза больше шаров, икаждый встречный шар, кроме того, ударит движущееся тело в три раза сильнее.Следовательно, делал вывод Ньютон, сила удара в этом случае возрастет в 3х3раза.

Следовательно,силаудара будет пропорциональна квадрату скорости движения тела в неподвижномвоздухе или квадрату скорости движения воздуха относительно неподвижного тела.

Наоснове созданной Ньютоном ударной теории сопротивления тел пришли к формуламдля определения силы удара или, как ее стали называть, силы сопротивления. Влевой части этой формулы записывалась искомая сила сопротивления (F). В правой части, кроме фронтальной площадипоперечного сечения тела (S),плотности среды (<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;color:#333333; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">r

)и квадрата скорости движения (V) — был записан еще коэффициент (C), названный коэффициентомпропорциональности.

<img src="/cache/referats/18951/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025">                                                                                    (1.1)

где:     F — аэродинамическая сила сопротивления;

            C — коэффициент силы сопротивления;

            V — скорость данного объекта;

            S– фронтальная (лобовая) площадь поперечного сечения тела;

            <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;color:#333333;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">r

= плотность воздуха.

Изтеории Ньютона следовало, что этот коэффициент (C) постоянен для любого тела, независимо от его формы.

Этотвывод логически вытекал из самого существа взглядов Ньютона. Так как, по егомнению, причиной возникновения силы сопротивления является удар частиц воздухао лобовую поверхность тела, то получалось, что хвостовая часть тела не моглаоказывать никакого влияния на изменение силы сопротивления. Если шар, цилиндр икапля имеют одинаковые площади поперечного сечения, то по формуле Ньютонаполучалось, что при движении с одинаковыми скоростями и в одинаковой среде всетри тела будут испытывать одинаковые по величине силы сопротивления своемудвижению.

Первыеопыты, проделанные еще в конце XVIII столетия, показали, что далеко не всеверно в теории Ньютона. До тех пор, пока брали тела одинаковой формы и измерялисилу сопротивления их при движении с разными скоростями, или в различных поплотности средах, например, в воздухе и в воде, подсчет по формуле давалвеличины, хорошо совпадавшие с теми, которые были измерены при опыте. Но кактолько начинали испытывать тела, отличающиеся друг от друга по форме, опыт неподтверждал теории Ньютона.

Однакокритиковать Ньютона долго не решались. Слишком силен был его авторитет.Французские исследователи XVIII века хоть и видели порочность теории Ньютона,но не посмели поднять на нее руку и ограничились только указанием фактов, дажене проведя подлинно научного анализа своих собственных опытов.

Тольков XIX веке великий русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев подвергрезкой критике ошибочные взгляды Ньютона о сопротивлении среды. Интерес творцаПериодической системы элементов к вопросам сопротивления среды движению тел неявился случайным или временным. Менделеев начал изучать свойства газов приразличных давлениях, в том числе и при очень малых, и перенес свои научныеинтересы также в область метеорологии. Развитие метеорологии зависело отуспехов воздухоплавания. Менделеев не только проявлял глубокий научный интереск воздухоплаванию, но разрабатывал проекты воздухоплавательных аппаратов,совершил полет на воздушном шаре, поддерживал изобретателей, объединял вокругсебя энтузиастов летания. Наконец в 1880 году выпустил в свет замечательнуюкнигу — результат большого разностороннего многолетнего труда.

Вэтой книге, которая называлась «О сопротивлении жидкостей и о воздухоплавании»,Менделеев  резкими и точными словами вскрыл основную причину ошибкиНьютона: «В сложном вопросесопротивления среды, без точного знакомства с действительностью, Ньютон идругие теоретики задались гипотезою, совершенно не удовлетворяющею природеявлений...»

Менделеевписал, что «мнение онеприложимости ньютоновских начал к нахождению сопротивлений с особою ясностьюи резкостью высказал прежде других известный ученый, Борда, капитанфранцузского флота, который в середине XVIII века славился как замечательныйученый, и который навсегда оставил после себя много исследований и приемов,отличающихся большим изяществом и точностью. Борда в 1763 году высказалсясовершенно ясно против Ньютоновой теории сопротивления, потому что все егонемногочисленные, но ясные опыты с нею несогласованны...»

Однако занаучную беспринципность Борда крепко досталось от русского ученого. Менделеевписал: «… Он (Борда) показал,что во всех пунктах теория Ньютона грешит, но больше ничего не сделал, непоискал какой-либо связи между своими наблюдениями».

ОшибкаНьютонапроисходилаиз-за неправильного исходного предположения. Решив,что воздух состоит из отдельных независимых частиц, Ньютон, как следствие,должен был признать, что сопротивление есть результат удара этих частиц опереднюю часть тела, что очертания тела не имеют значения приопределении силы сопротивления.

Действительно,предположение Ньютона верно лишь в том случае, если речь идет о подсчетесопротивления в чрезвычайно разреженной среде. Иначе говоря, теория Ньютонагодится тогда, когда нужно подсчитать, какое сопротивление испытаетмежпланетный корабль при прохождении его через верхние, чрезвычайно разреженныеобласти земной атмосферы, удаленные от поверхности Земли на сотни километров.Но для самолетов, летающих в плотном воздухе на высоте одного-двух десятковкилометров, и тем более для болидов F1 эта теория совершенно не годится.

Неправильностьисходного предположения, породившая ошибочную ударную теорию, привелапоследователей взглядов Ньютона и к другой ошибке: они создали неправильнуюформулу для определения подъемной силы.

Формулапозволяла подсчитать величину подъемной силы, которую создаст пластинка,расположенная наклонно к набегающему на нее воздушному потоку. Если уголнаклона пластинки к направлению потока назвать углом атаки, то формулаутверждала, что подъемная сила пропорциональна второй степени от синуса угла атаки.

Атак как синусы малых углов очень малы, представляя собой дробь намного меньшуюединицы, то, следовательно, квадрат синуса малого угла атаки будет еще меньше,и, значит, подъемная сила, подсчитанная по этой формуле, окажется исключительномалой, неспособной поддерживать летательный аппарат в воздухе.

Французскийученый Даламбер еще в конце XVIII столетия подметил неправильностьньютоновского «закона квадратов синуса». Другой французский ученый — Навье,подсчитал, пользуясь этим законом, ту мощность, которую могла бы развиватьласточка в полете. Он получил фантастические цифры: тридцать летящих ласточекякобы развивали мощность, равную одной лошадиной силе. Но и Даламбер, и Навьене сделали должных выводов и не опровергли теорию Ньютона. Задача созданиясамолета перед ними не стояла; без легкого и в то же время мощного двигателяпостроить самолет в те времена было невозможно.

Еслибы теперь авиаконструкторы захотели воспользоваться законом «квадратов синуса»,то они пришли бы к чудовищному выводу, что ни один современный самолет летатьне может.

Простойопыт показывал, что вычисленная по формуле Ньютона подъемная сила во много разменьше той, которая в действительности возникает на крыле. Причем, чем меньшеугол наклона крыла к потоку — угол атаки, тем больше расхождение между опытом итеорией. Эта разница огромна: при угле атаки, равном 20°, подъемная сила в трираза больше вычисленной по ньютоновской формуле. При угле атаки около 1°теоретический подсчет дает величину подъемной силы почти в сто раз меньше еедействительного значения, которое получается при этом из опыта.

Неудивительно,что у многих изобретателей опускались руки, как только они, на основе формулы Ньютона,приходили к выводу, что запроектированный ими летательный аппарат не сможетлетать, так как его подъемная сила будет меньше веса.

Крупный,талантливый русский конструктор С.С. Неждановскийв самомконце прошлого века много и хорошо поработавший над развитием планеров, нодолго находившийся в плену теории Ньютона, однажды записал, как итог своихрасчетов: «… Созданиелетательного аппарата, снабженного паровыми двигателями — невозможно».

Но не всеневернов теории Ньютона. В ней правильно учтеновлияние плотности среды, скорости движения и размеров поперечного сечения тела.Следовало отбросить ошибочное предположение о том, что воздух подобен скоплениюшаров, ударяющих по движущимся в нем телам.

ВеликийЛомоносовбылпервым, кто стал говорить о токе, о течении воздуха. Его рассуждения о токевоздуха вывели новую науку — науку о движении воздушных масс — из того тупика,в котором она находилась.

В1749 году в «Новых комментариях» Академии наук, был опубликован рядзамечательных работ первого русского академика. Одна работа: «Опыт теорииупругой силы газов» содержала основы кинетической теории газов. Работа«Размышление о причине теплоты и холода» наносила смертельный ударгосподствующей в то время ложной теории теплорода «О вольном движении воздуха,в рудниках примеченном», явилась первой работой, посвященной изучению движениявоздушных масс.

ОпытыЛомоносова, которые привели к открытию закона сохранения вещества и сталитеоретической основой для закона сохранения энергии, позволили сделать важныйвывод о том, что воздух представляет собой смесь, по крайней мере, двух газов.

МыслиЛомоносова о воздухе, о его свойствах, о законах, которым подчинено егодвижение, высказанные два столетия тому назад, остаются правильными и сегодня.

ДругЛомоносова, крупнейший математик XVIII века, Леонард Эйлер,действительный член Петербургской Академии наук, облек эти мысли в стройнуюматематическую форму. Внешне формула Эйлера для определения силы сопротивленияимела большое сходство с первой формулой Ньютона.

Вправой части формулы Эйлера также записаны и площадь поперечного сечения тела,и массовая плотность среды, и квадрат скорости движения. Также — потому, чтоэто было правильным у Ньютона (см. 1.1).

Новместо коэффициента пропорциональности (С),введенного Ньютоном, Эйлер написал новый, как он назвал, коэффициентсопротивления. Это резко изменило существо закона: коэффициент сопротивленияразличен для тел разной формы (см. Табл. 1.1).

Таблица 1.1.

Коэффициент сопротивления длятел разной формы

<img src="/cache/referats/18951/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026">

Ктакому выводу Эйлер пришел, пересмотрев основу теории Ньютона. Воздух нельзярассматривать как скопление отдельных мельчайших частиц, считал Эйлер. Воздухесть материя, непрерывно распределенная в пространстве, утверждал он.Отсюда ученый делал важный вывод: сопротивление, которое испытывает тело присвоем движении в воздухе, не есть следствие удара воздуха о переднюю частьтела; сопротивление есть результат той разности давлений, которая возникаетперед телом и за ним при обтекании его потоком воздуха.

Другойученый, работавший в России, академик Даниил Бернулли написал классическийтруд «Гидродинамика», в котором изложил открытый им закон, устанавливающийзависимость между давлением в потоке и скоростью движения.

Такна смену ударной теории Ньютона пришла струйная теория сопротивления, основныеположения и главнейшие выводы которой сохранили свою силу до сегодняшнего дня.Так, еще в XVIII веке, трудами ученых Михаила Ломоносова, Леонарда Эйлера,Даниила Бернулли в России былзаложен тот прочный фундамент, на котором в начале XX столетия НиколайЕгорович Жуковский воздвиг величественное здание новой науки —аэродинамики.

Вторуюформулу Ньютона — «закон квадратов синуса» Эйлер не затронул. Исследователяинтересовало только сопротивление среды, и свои работы он создавал для нуждразвивавшегося кораблестроения. Вопросы подъемной силы, знание которыхнеобходимо для авиации, его не занимали. Так ошибочный «закон квадратов синуса»продолжал некритически восприниматься учеными, считавшими, что Ньютон не могошибаться.

<span Arial",«sans-serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;color:#333333;mso-ansi-language:RU; mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">
1.2.Эффект Бернулли.

Эффект Бернулли играет огромную роль в действияхаэродинамических поверхностей болидов F1. Эффект Бернулли выражаетсяуравнением, известным как «Уравнение Бернулли», которое утверждает,что общаяэнергия данного объема вещества не изменяется; и это опирается нафундаментальный закон природы — закон сохранения энергии.

Когда мы рассматриваем относительное движение газа(или жидкости), то энергия делится на три части:

·<span Times New Roman"">        

·<span Times New Roman"">        

·<span Times New Roman"">        

Болид F1, находящийся в неподвижномили подвижном относительно него воздушном потоке, испытывает со стороныпоследнего давление:

в первом случае (когда воздушный поток неподвижен) — это статическое давление; и во втором случае (когда воздушный поток подвижен) — это динамическое давление, оно чаще называется скоростным напором.

Статическоедавление в струйке воздуха аналогично давлению покоящейся жидкости (вода, газ).Вода в трубе может находиться в состоянии покоя или движения, но в обоихслучаях стенки трубы испытывают давление со стороны воды. В случае движенияводы давление будет несколько меньше.

Согласнозакону сохранения энергии, энергия струйки воздушного потока в различныхсечениях есть сумма кинетической энергии потока, потенциальной энергии силдавления, и энергии положения тела.

Эта сумма — величина постоянная:

Екин+Ер++Еп=оспst,                                                                                                                              (1.2)

Кинетическаяэнергия(Екин)- способность движущегося воздушного потока совершать работу равна

<img src="/cache/referats/18951/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027">                                                                                                  (1.3)

где m — масса воздуха, кг; V-скоростьвоздушного потока, м/с. Если вместо массы mподставить массовую плотность воздуха р,то получим формулу для определения скоростного напора q (в Н/м2)

<img src="/cache/referats/18951/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028">                                                                                                                                 (1.4)

Потенциальнаяэнергия (Ер ) — способность воздушного потока совершатьработу под действием статических сил давления. Она равна

Ep=PFS,                                                                                                                                          (1.5)

где Р — давление воздуха, Н/м2; F — площадь поперечного сеченияструйки воздушного потока, м2; S — путь, пройденный 1 кгвоздуха через данное сечение, м; произведение SFназывается удельным объемом и обозначается v, подставляя значениеудельного объема воздуха в формулу (1.4), получим

Ep=Pv.                                                                                                                                             (1.6)

Энергияположения (En) — способность воздуха совершать работу при изменении положения центра тяжестиданной массы воздуха, при подъеме на определенную высоту и равна

En=mh                                                                                                                                            (1.7)

где h — изменение высоты, м.

Так как в процессе гонки F1 уровень ландшафтаменяется не слишком сильно, то последнюю величину (энергию положения) можнопринять за конст

еще рефераты
Еще работы по технологии. транспорту