Реферат: Технология аэродинамической трубы для болидов Формулы 1

Мысли Ломоносова о воздухе, о его свойствах, о законах, которым подчинено его движение, высказанные два столетия тому назад, остаются правильными и сегодня.

Друг Ломоносова, крупнейший математик XVIII века, Леонард Эйлер , действительный член Петербургской Академии наук, облек эти мысли в стройную математическую форму. Внешне формула Эйлера для определения силы сопротивления имела большое сходство с первой формулой Ньютона.

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

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

Таблица 1.1.

Коэффициент сопротивления для тел разной формы

К такому выводу Эйлер пришел, пересмотрев основу теории Ньютона. Воздух нельзя рассматривать как скопление отдельных мельчайших частиц, считал Эйлер. Воздух есть материя, непрерывно распределенная в пространстве , утверждал он. Отсюда ученый делал важный вывод: сопротивление, которое испытывает тело при своем движении в воздухе, не есть следствие удара воздуха о переднюю часть тела; сопротивление есть результат той разности давлений, которая возникает перед телом и за ним при обтекании его потоком воздуха .

Другой ученый, работавший в России, академик Даниил Бернулли написал классический труд «Гидродинамика», в котором изложил открытый им закон, устанавливающий зависимость между давлением в потоке и скоростью движения.

Так на смену ударной теории Ньютона пришла струйная теория сопротивления, основные положения 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 был заложен тот прочный фундамент, на котором в начале XX столетия Николай Егорович Жуковский воздвиг величественное здание новой науки — аэродинамики.

Вторую формулу Ньютона — «закон квадратов синуса» Эйлер не затронул. Исследователя интересовало только сопротивление среды, и свои работы он создавал для нужд развивавшегося кораблестроения. Вопросы подъемной силы, знание которых необходимо для авиации, его не занимали. Так ошибочный «закон квадратов синуса» продолжал некритически восприниматься учеными, считавшими, что Ньютон не мог ошибаться.

1.2. Эффект Бернулли.

Эффект Бернулли играет огромную роль в действиях аэродинамических поверхностей болидов F1. Эффект Бернулли выражается уравнением, известным как "Уравнение Бернулли", которое утверждает, что общая энергия данного объема вещества не изменяется ; и это опирается на фундаментальный закон природы - закон сохранения энергии .

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

· давление в воздухе;

· кинетическая энергия воздуха (энергия движения);

· потенциальная энергия воздуха.

Болид F1, находящийся в неподвижном или подвижном относительно него воздушном потоке, испытывает со стороны последнего 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.

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

Согласно закону сохранения энергии, энергия струйки воздушного потока в различных сечениях есть сумма кинетической энергии потока, потенциальной энергии сил давления, и энергии положения тела.

Эта сумма - величина постоянная:

Е_кин +Е_р + +Е_п =осп st , (1.2)

Кинетическая энергия (Е_кин ) - способность движущегося воздушного потока совершать работу равна

(1.3)

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

(1.4)

Потенциальная энергия (Е_р ) - способность воздушного потока совершать работу под действием статических сил давления. Она равна

E_p = PFS , (1.5)

где Р - давление воздуха, Н/м² ; F - площадь поперечного сечения струйки воздушного потока, м² ; S - путь, пройденный 1 кг воздуха через данное сечение, м; произведение SF называется удельным объемом и обозначается v , подставляя значение удельного объема воздуха в формулу (1.4), получим

E_p = Pv . (1.6)

Энергия положения (En) - способность воздуха совершать работу при изменении положения центра тяжести данной массы воздуха, при подъеме на определенную высоту и равна

En = mh (1.7)