Русский Главная страница English
О нас Физика и техника Философия УФО-логия Астрология Медицина Прочее Конференции Каpта Сайта Поиск

Волновая теория лобового сопротивления тела


Ринат Шаймуратов
( rinat_shay@chat.ru )
Оригинал - http://www.chat.ru/~rinatshay

Механизм возникновения аэродинамического лобового сопротивления

Эта работа относится к области аэродинамики. Существующее представление о механизме возникновения аэродинамического сопротивления тела при движении в среде с дозвуковой скоростью существенно отличается от описанного мной.
Оригинальность подхода к проблеме аэродинамического сопротивления заключается в том, что при движении тела в среде, передняя часть его является источником волн возмущений окружающей среды, а задняя часть стоком этих волн возмущений. И лобовое сопротивление возникает в результате потери энергии волновых возмущений в окружающей среде.
Описываемый волновой метод дает возможность легко рассчитывать лобовые сопротивления при сколь угодно малых скоростях, а также плохообтекаемых тел и выбирать оптимальные, с точки зрения аэродинамики, формы для любых дозвуковых скоростей, что не было возможно без дорогостоящих экспериментов в аэродинамических трубах.
Для достижения минимального лобового сопротивления появляется возможность рассматривать не только "лобовую", но и "тыльную" формы тела. И
что интересно: их формы будут совершенно разными. Процессы легко описываются математически и, в век компьютеров, это снимет многие проблемы.
Как ни странно, но выходит, что в туннелях сопротивление автомобилей будет меньше, чем в не их, за счет резкого уменьшения объема возмущенной среды и хорошего отражения от стен волновых возмущений. А у самолетов над бетонной взлетно-посадочной полосой сопротивление будет меньше, чем в воздухе далеко от нее за счет ограничения объема возмущенной среды и хорошим отражением волн от взлетно-посадочной полосы. Более того, чем ближе будет лететь самолет над взлетно-посадочной полосой, тем сильнее будет действовать на самолет сила, возвращающая его в область с большим сопротивлением (верхняя половина) и появится эффект воздушной подушки.
По иному можно взглянуть на проблему турбулентных обтеканий тел. Заманчиво расширить теорию на область околозвуковых и сверхзвуковых скоростей.
Малые скорости тоже интересны, ведь слепые чувствуют волны возмущений от движущихся тел, как бы "видят" их по своему с ориентацией в пространстве.
Я думаю, что эту волновую теорию можно применить и к космосу, где вакуум не абсолютный и плотность вещества хоть и ничтожна, но не равна нулю. Вспомните "хвостатые" кометы.

Волновая теория лобового сопротивления

Рис.1 Рассмотрим сопротивление среды прямолинейному, равномерному, установившемуся, горизонтальному движению тела с дозвуковой скоростью в не вязкой среде с плотностью r (См.Рис.1), обтекание ламинарное.
Введем условные обозначения и индексы:
r - плотность среды;
V - скорость;
a - скорость звука в среде;
L - длина тела;
S - площадь;
F - сила;
P - давление;
d - дальность распространения возмущений;
+ - (индекс снизу) передняя часть тела;
- - (индекс снизу) задняя часть тела;
1 - (индекс снизу) возмущенная среда;
2 - (индекс снизу) вторично возмущенная среда;
D - (дельта) символ разницы;
t - время условного цикла;
t - время "запаздывания информации".
Cx - коэффициент лобового сопротивления.

Есть смысл рассматривать время t = L / V прохождения телом расстояния, равного своей длине, т.к. именно в промежуток времени между "до появления тела" и "после прохождения тела" происходит затрата энергии на преодоление сопротивления среды. Происходит воздействие телом на среду и наоборот: среды на тело, нарушившее ее спокойствие. Получается нечто напоминающее движение поршня в цилиндре: поршень сжимает газ, а потом газ выталкивает поршень. Только в этом случае четко виден цикл и ясно, что механическая энергия переходит в энергию сжатого газа и наоборот. В нашем случае цикл "размыт" равномерно и нет границ между началом и концом, и энергия непрерывно переходит в волновые возмущения среды и наоборот. Возмущения среды, вызванные передней частью тела не сразу оказывают воздействие на заднюю часть, а с запаздыванием, через время t = L / (a+V), где a - скорость распространения волн в среде, равная скорости звука в этой среде. Это время можно назвать временем "запаздывания" информации. Пользуясь введенными условными обозначениями и индексами, решим упрощенную модель поставленной задачи. Тело, двигаясь со скоростью V воздействует на окружающую среду. Отобразим возмущения, распространяющиеся со скоростью звука, вызываемые передней частью тела за время t на окружающее пространство, которое назовем возмущенной средой (см. Рис.2).
Рис.2 1) t1 = L / V
2) d
1 = t1a = La / V
3) t = L / (a+V)

Не будем рассматривать распределение скоростей в возмущенной среде, вернее закон отображения возмущений, в результате которого получается распределение скоростей в возмущенной среде. Осредним скорость по расходу:
4) r+V+S+=r1V1S1
пренебрегая сжимаемостью, т.е.
5) r1 = r+
получим
6) V1 = V+S+ / S1
В свою очередь окружающая среда воздействует на тело (см. Рис.2). Отобразим возмущенную среду на заднюю часть тела с учетом, что не вся возмущенная среда "знает о существовании" задней части тела, так как скорость звука величина конечная.
7) t2 = t1 - t = d1 / (a+V)
8) d
2 = t2 (a-V) = d1 (a-V) / (a+V)
Эту часть возмущенной среды, которую точно также подвергнем отображению, назовем вторично возмущенной средой (см. Рис.3). Рис.3
Составим уравнение расхода:
9) r1V1S2 = r-V-S-
пренебрегая сжимаемостью, т.е.
10) r- = r1 получим
11) V- = V1S2 / S- = V+S+S2 / S1S-
Не рассматривая влияние форм поверхностей спереди и сзади, т.е.
12) S- = S+
получим простую формулу:
13) V- = V+S2 / S1
Сила сопротивления будет
14) D F = F+- F- = r+V+2S+ - r-V-2S-
Приняв 15) V+ = V получим:
16) D F= rV2S (1 - S2 / S1 )
получим коэффициент лобового сопротивления
17) Cx = 1 - S2 / S1 = 1 - (pd22 - S) / (pd12 - S)
когда V << a, т.е.
18) S << pd
22 < pd12
получим
19) Cx = 1 - d22 / d12 = 1 - (a -V)2 / (a+V)2 = 4aV / (a+V)2
График зависимости коэффициента лобового сопротивления от скорости
Рассмотрим случай V ® 0 тогда
20) C
x ® 4V/a
Пересмотрим некоторые допуски:

I) возмущения без затухания не распространяются, поэтому используют коэффициент затухания Ka в виде:
Затухание интенсивности
где I - интенсивность, r - расстояние.
II) формы поверхностей тела спереди и сзади оказывают существенное влияние и равенство 12 очень грубое. Смягчить можно формулой Ньютона: 22) P = rV2Sin2b
где b - угол между касательной к поверхности тела и направлением движения.
III) для больших скоростей V ~ a можно применить формулу Буземана:
Уравнение Буземана

где c - точка на поверхности и требуется только знание геометрии тела.
IV) Реальная среда не однородна и в ней имеются помехи (облака, земля, лес и т.п.) с различными коэффициентами поглощения или отражения возмущений и справедливо считать в 4 и 9, что V1 - функция координат.
V) Утверждения 5 и 10 тоже следует пересмотреть, т.к. газы сжимаемы:
5) r1 > r+ и 10) r- < r1 (к массе окружающего газа добавляется/вычитается масса газа вытесняемого телом).
VI) Неплохо посмотреть влияние вязкости.
Хочется сказать, что при стремлении уменьшить лобовое сопротивление необходимо сделать S- максимальным, а S+ минимальным, чтоб уменьшить всевозможные потери. Отсюда ясно, что формы спереди и сзади будут совершенно разными.
В космосе скорость распространения волн возмущения равна скорости света, тогда Cx = 4cV / (c+V)2 где с - скорость света в космосе. Современные космические аппараты с относительно не большими скоростями по сравнению со скоростью света испытывают не значительное сопротивление, но тем не менее все мы знаем, что спутники со временем падают, если периодически не ускорять их и возможность расcчитывать сопротивление полету тела в космосе сыграет свою пользу.
Космические объекты со скоростями сравнимыми со скоростью света будут иметь существенное сопротивление. Со временем, для межгалактических полетов человечество освоит скорости сравнимые со скоростью света и умение расcчитывать лобовое сопротивление в космосе будет необходимостью, ведь строительство испытательного сооружения наподобие аэродинамической трубы, но с космическими условиями думаю просто невозможно.

Заключение + Новая идея.

Соображения высказанные в статье зародились в 1978 году в Набережных Челнах во время работы на заводе КамАЗ в Управлении Главного Конструктора, глядя на плохообтекаемые формы грузовых автомобилей и там же были подготовлены несколько вариантов статей, но, без аэродинамических исследований или хотя бы сравнения с результатами проведенных экспериментов, и были заброшены до "лучших времен". Скоро мне будет 47 лет, похоже, что жизнь проходит и далеко от моей специальности (закончил Московский Физико-Технический Институт, факультет Аэромеханики и Летательной Техники, специальность по диплому "Аэродинамика и Термодинамика"). Работать пришлось всегда с компьютерами (программист, системщик, администратор баз данных, "Главный специалист по персональным компьютерам", сейчас в фирме "InfraR"). Экономические трудности жизни в СССР, затем проблемы "Перестройки", "Перехода к рыночной экономике", а сейчас строительство своей Узбекской модели экономики и проблемы семьи сыграли не последнюю роль. На момент распада СССР я оказался в Узбекистане, в г. Ташкенте. Сейчас возможно мой подход к аэродинамике устарел или не нужен (разработаны методы расчетов и накоплен опыт на все случаи), но довести свои идеи до специалистов думаю надо, возможно, кто-нибудь извлечет для себя полезное. Прошу строго не судить, если в формулах или выражениях не все корректно, все-таки 22 года не занимался наукой. Результаты расчетов могут сильно отличаться от реальных и тогда надо будет дорабатывать теорию, сейчас важна сама идея волнового подхода к проблеме лобового сопротивления.

2000-08-03 Хочу поделиться еще одним соображением (пока без формул и рисунков), которое большинству покажется из области фантастики. Но я думаю, этим направлением физики надо уже начинать заниматься сейчас. Человеческая цивилизация довольно легко освоила сушу и водную среду для передвижения в ней, более трудной было освоение воздушной среды, теперь, создав различные двигатели для суши, водной , воздушной среды (атмосферы) и космического пространства, занимаемся освоением космического пространства. Есть среда более огромная по своим масштабам и возможностям - магнитное поле Земли! Освоение ее даст двигатели без движущихся частей, без расходных материалов (в нашем понимании), без шума. Расходные материалы и движущиеся механические части современных двигателей - это их слабость, больное место по соображениям надежности и долговечности. Большой расход топлива - беда реактивных двигателей. Двигатели в магнитном поле Земли не будут иметь движущихся и расходных материалов - их основа: мощные постоянные магнитные поля на сверхпроводниках с соответствующими электрическими токами, которые могут дать источники на управляемых термоядерных реакциях.

Преимущества:

незагрязнение окружающей среды (не будет выбросов);
бесшумность - нет движущихся частей и выбросов струй газа;
отсутствие помех информационным частотам - будут только постоянные магнитные поля;
долговечность.

Потеряется смысл передней, задней и боковых направлений при создании летательных аппаратов с такими двигателями: куда направишь тягу - туда и полетишь. Можно учесть законы аэродинамики, чтобы уменьшить потери и воспользоваться подъемной силой, скорость и динамика будут зависеть только от мощности источника тока и сопротивления среды (вода, атмосфера или космос), подвластны будут любые скорости. Люди будут вынуждены защищаться от сильного магнитного поля одеждами, слегка напоминающими теперешние скафандры водолазов или космонавтов. Меня все это приводит к мысли о летающих тарелках - там все это реализовано! Скорее всего они есть, и не пришельцы из космоса, а представители параллельного мира с другой поляризацией или состоянием энергонасыщенности магнитного поля времени. В развитии своем они обогнали нас намного и "залетают" полюбопытствовать нашим уровнем развития и т.п. Как своеобразные археологи заглядывают в свою возможную историю развития. И, конечно же, не представляют угрозы для нас, а наоборот они с интересом наблюдают за нашим развитием, более того, они будут оберегать нас от возможных наших глобальных ошибок, "концу света" они не дадут случиться. Хотя он неизбежен: Луна когда-нибудь в очень далеком будущем настолько затормозится (см. выше теорию Лобового сопротивления) и приблизится к Земле, что уничтожит всю жизнь на Земле, если Луна сама раньше не столкнется, например, с кометой, особенно на встречном курсе, или Земля, что более вероятно, не встретится с космическим объектом, что в любом случае раньше времени погубит нашу цивилизацию. Мы стоим на пороге неоценимых познаний, скачка в развитии цивилизации, достижений, достойных нового тысячелетия. Я бы посчитал высокой честью заниматься этими и, возможно, подобными идеями, направленными на развитие всего человечества, которые мне иногда приходят в голову, если даже они окажутся не осуществимыми из-за состояния уровня развития нашей цивилизации. Результат от исследований в этой области не окажется отрицательным. Посильно это только государству, которое сможет выделять средства на такого рода исследования без ожидания скорой отдачи и выгоды. Даже сейчас, без всяких моих формул вы можете взяться за мои идеи и попытаться воплотить их в жизнь.

2000-09-21

aренда офиса бизнес центр луч