Воздушный парадоксы

В аэродинамике мы встречаем много явлений, кажущихся с первого взгляда парадоксальными, противоречивыми. К числу их можно отнести, например, вопрос об образовании подъемной силы в аэропланном крыле. Большинство товарищей, непричастных к авиации, обычно объясняет полет аэроплана или планера тем, что их крылья при движении вперед подпираются снизу сжимаемым воздухом.

Несколько простейших опытов покажут нам, насколько это мнение справедливо или ошибочно.

Шарики в потоке

Очень легко сделать игрушку с шариком, танцующим в воздухе. Шарик вырезается острым ножом или лезвием безопасной бритвы из пробки. Затем поверхность его сглаживается стеклянной бумагой (шкуркой). Диаметр шарика может быть в среднем 10—12 мм. Продувочную трубку, которая заставит наш шарик танцевать, соорудим из бумаги. Для этого возьмем листик писчей бумаги величиной с восьмушку и скатаем из него трубочку. Делается это постепенным наворачиванием листика на круглый карандаш, причем после первого оборота надо прочно приклеить внутреннюю кромку листика к навертываемой на нее поверхности бумаги, а с последним оборотом также приклеить к полученной трубочке наружную кромку листика. Один конец такой трубки, длина которой будет 16—20 см, плотно закупоривается клинышком. В этом же конце трубки прожигается раскаленной проволокой, например шпилькой, отверстие, которое потом разворачивается до диаметра, примерно, в 3 мм с помощью хотя бы очиненного кончика карандаша.

Если теперь вдувать через открытый конец трубки воздух, то из отверстия у глухого конца будет выходить вертикальная струя воздуха. Совсем нетрудно наловчиться так, чтобы шарик, помешенный в эту струю, держался в ней достаточно долго, выплясывая и крутясь, или же вися почти неподвижно в одном месте.

Напомним, кстати, о старинной английской игрушке, основанной на этом же свойстве шарика, плавающего и струе. Устройство ее вполне понятно из помещенного здесь рисунка. Пробочный шарик не должен быть в диаметре более 1 см, а пронизывающая его проволока, конечно, должна быть возможно тоньше. Игра заключается в том, чтобы подвесить шарик его крючком на крючок, установленный над ним.

Возникает весьма интересный вопрос: почему же шарик не вылетает из струи, ведь она очень узка, и шарик в своей пляске постоянно подходит к ее границам? Опыты с этим шариком ясно показывают, что какая-то сила неизменно возвращает его обратно к оси струи, если мы будем дуть не слишком резко. Казалось бы, что струя должна всегда отбрасывать шарик, и пляска его должна бы быть очень кратковременной.

Чем объяснить такое противоречие?

Проделаем с нашей трубкой другой опыт.

Возьмем две пробки от бутылок и вырежем из них (во весь диаметр пробки) два шарика и тоже сгладим их шкуркой. Проткнув каждый шарик иголкой с ниткой, навязанной на конце узелком, подвесим оба шарика на одной высоте к какой-нибудь подставке так, чтобы между ними оставался промежуток, примерно, равный диаметру самих шариков (около 2 см). Что станет с шариками, если поднести под них нашу трубку и пустить вертикальную воздушную струю в промежуток между шариками?

Казалось бы, струя должна оттолкнуть шарики друг от друга.

Но на самом деле они не только не разойдутся, а, наоборот, потянутся один к другому и даже сомкнутся. Опять мы получаем совершенно неожиданный результат.

Опыт с бутылкой и воронкой

Можно проделать легко и еще другие опыты с воздушными струями.

В горлышко пустой бутылки, положенной горизонтально, вы кладете гладкую пробку. Диаметр пробки должен быть несколько меньше отверстия горлышка (на 2—3 мм).

Казалось бы — так просто вдунуть эту пробку внутрь бутылки. В действительности же, если вы дунете, — пробка выскочит из горлышка.

Перейдем к другому опыту. Возьмем лист плотной бумаги, свернем его «фунтиком» и, приклеив сперва кромку внутри, а потом снаружи, сделаем воронку. В узкое отверстие воронки вклеим мундштучок —  деревянный или обычный мундштук от папиросы.

Можно ли через такую воронку погасить горящую свечу, поставленную перед широкой пастью воронки, если дуть на нее через мундштук? Свечу можно ставить при этом на любом расстоянии от воронки. Меньше всего добьется успеха тот, кто поставит свечу непосредственно перед воронкой: пламя свечи, как бы издеваясь, будет тянуться навстречу воздушной струе. Если же отодвинуть свечу подальше, то пламя будет совершенно спокойно, без всяких колебаний.

Засасывание воды и твердого тела

Кому неизвестен пульверизатор? С его помощью можно поднять воду из любого сосуда по одной трубке вдувая воздух в другую трубку не соединенную с первой; в результате вода разлетается мельчайшими брызгами. Такой пульверизатор легко сделать самому из пробки и двух вставленных в нее гусиных перьев.

С помощью воздушной струи можно поднимать не только жидкость, но и твердые тела.

Склеим из бумаги простую трубку и оставим ее открытой с обоих концов. Затем вырежем из плотной бумаги несколько кружков (дисков), диаметром около 5 см.

В двух кружках проделаем в центре круглые отверстия по размеру того карандаша, на который накатывалась бумага при склеивании трубки. Отверстия не должны иметь рваных краев, их надо аккуратно срезать. Затем один из концов трубки надрезается ножницами, примерно, на 1 см в пяти-шести местах по окружности трубки на равных друг от друга расстояниях.

Надрезанные части отгибаются наружу под прямым углом и заклеиваются с обеих сторон двумя приготовленными дисками так, чтобы отверстия дисков точно совпали с каналом трубки. Помимо этого диски склеиваются и между собой. Таким образом наша продувочная трубка наращивается с одного конца плоской дисковой насадкой.

Как поднять теперь с помощью такой трубки один из кружков, не имеющих посередине отверстия? Очень легко, — ответит читатель. Стоит лишь приложить насадку трубки к кружку, а из другого конца трубки, зажатого губами, втягивать воздух в себя, как кружок «прилипнет» к дисковой насадке и будет висеть под ней без всякой другой опоры, пока не прекратится втягивание воздуха из трубки.

Однако нетрудно убедиться, что получить желаемый результат можно, как это ни странно, и обратным путем.

Будем дуть в трубку от себя наружу, приблизив дисковую насадку продувочной трубки к кружку на расстояние менее 1 см. Оказывается, кружок начнет подтанцовывать, а при поднимании трубки последует за ней, как кусочек железа за магнитом.

И здесь мы сталкиваемся с, казалось бы, «загадочным», парадоксальным явлением.

Попытаемся же теперь найти объяснение всем проделанным опытам.

Одна разгадка всех парадоксов

Все явления, описанные выше, объясняются одинаково: перераспределением в давлении воздуха, окружающего предметы во время опыта. При этом в большинстве случаев прямо применим закон, открытый более 200 лет назад знаменитым ученым, основоположником современной гидродинамики, а следовательно и аэродинамики —  Даниэлем Бернулли. Этот закон гласит, что в потоке жидкости или газа с увеличением скорости давление падает, а с уменьшением скорости давление возрастает.

Шарик, свободно висящий в вертикальной струе воздуха, держится в ней достаточно устойчиво потому, что в самой струе давление значительно меньше, чем в окружающем воздухе.

Точно так же и струя воздуха, вдуваемая между двумя шариками снизу, увеличивает свою скорость при сужении пространства между ними и, следовательно, создает здесь пониженное давление. А так как с обратных сторон на шарики действует полное давление атмосферы, то шарики и втягиваются внутрь струи до сближения друг с другом.

Несколько особняком стоит опыт с пробкой в горлышке бутылки: здесь принцип Бернулли прямого применения не имеет. Мы привели этот опыт лишь, для того, чтобы показать, как создается увеличенное давление, преодолевающее нормальное давление атмосферы. Когда мы пытаемся вдунуть пробку в горлышко, струя воздуха проникает в бутылку через узкую серповидную щель. Здесь ее скорость сильно увеличивается, и струя сжимает внутри бутылки воздух, который силой своей упругости и выталкивает пробку наружу. Загнать пробку внутрь можно как раз обратным путем, т. е. если вытягивать воздух из бутылки, охватив ее горлышко губами. При этом внутри бутылки будет создаваться разрежение. Отнимая, затем быстро рот от горлышка, можно добиться того, что давлением наружной атмосферы пробка действительно втянется в бутылку.

Опыт с воронкой и свечой интересен в другом отношении. Выдуваемая из воронки струя, идя от малого поперечного сечения к большому, быстро теряет свою скорость. Образующиеся при этом завихрения прилипают больше к стенкам воронки, тогда как около оси ее, в самой пасти, создается даже разрежение, вызывающее засасывание внутрь. Теперь делается понятным поведение пламени: непосредственно у отверстия воронки оно втягивается, а несколько поодаль свеча горит совершенно спокойно, так как вихри разошлись далеко кругом, и засасывание уже парализовалось атмосферой.

Чтобы действительно погасить свечу в требуемых условиях, надо держать воронку так, чтобы пламя пришлось на прямом продолжении любой части конической поверхности воронки, а вовсе не на продолжении ее оси

В пульверизаторе горизонтальная трубка с ее суженным концом дает сильную воздушную струю и создает разрежение в вертикальной трубке, — тогда жидкость, находящаяся в сосуде, поднимается под давлением окружающей атмосферы вверх но трубке, как бы засасывается.

У верхнего конца вертикальной трубки жидкость разбрызгивается той же струей, выдуваемой из горизонтальной трубки.

Наконец, в последнем опыте с продувочной трубкой и кружками, мы имеем опять применение принципа Бернулли в его чистом виде: воздушная струя, ударяющаяся в свободно лежащий кружок, распространяется по всему пространству между ним и насадкой у трубки и создает своей скоростью пониженное давлением, которое и подсасывает кружок вверх.

Не трудно найти объяснение подобному же явлению и в более крупных масштабах, например тому, как может буря сорвать целую крышу здания.

Раньше недоумевали: как может ветер, давящий на крышу сверху, отрывать ее тоже вверх. Объясняется же это весьма просто: отрываются перекрытия не наветренные, а подветренные, и причиной тому все та же сила засасывания. При большой площади перекрытия и, главное при большой скорости ветра, возрастающей еще у наветренного ската крыши, эта сила необычайно возрастает и может исчисляться целыми тоннами. Не удивительно, что с подветренной стороны крыши, особенно при крутых скатах, мощный ветер образует области с таким сильным подсасыванием, которое срывает перекрытия.

Теперь мы можем и правильно понять причину образования подъемной силы в аэропланном крыле. Аэроплан держится в воздухе не только потому, что встречные потоки воздуха «подпирают» его крылья. Главная роль здесь принадлежит не подпиранию снизу, а подсасыванию сверху. И это подсасывание здесь точно так же, как и подсасывание в подветренном скате крыши: оно вызывается тоже горбом крыла, обратной покатостью его верхней поверхности.

Аэродинамические лабораторные испытания твердо установили, что в подъемной силе аэропланного крыла величина подсасывания имеет в среднем вдвое большее значение, чем повышенное давление от подпирания снизу.

Вот какие простые и, казалось бы, только занимательные опыты, помогают нам понять весьма серьезные вопросы современной аэродинамики.

К. ВЕЙГЕЛИН