ЧТО ТАКОЕ ВОЗДУХ

Все мы постоянно находимся в среде воздуха, он нас окру­жает повсюду. К нему мы привыкли и, когда двигаемся мед­ленно, не ощущаем его присутствия, но при быстром движении, например беге, мы замечаем его давление, свист и противодействие движению в нем.

Еще более заметно действие движущегося воздуха — ветра — на большие поверхности: ветер ломает деревья, срывает крыши, наполняет паруса кораблей и движет их по морю. Мы видим на этих примерах, что воздух — довольно плотная среда. Именно поэтому, опираясь на него, в нем может лететь птица,, самолет, подниматься воздушный шар.

Люди давно уже интересовались тем, что представляет со­бой воздух, каковы его свойства, чем объясняются явления, происходящие в воздухе, как и по каким законам дует ветер, каковы причины образования снега, дождя, града и т. п.? Познавание этих и многих других явлений происходило в течение многих сотен и тысяч лет. Многое о воздухе теперь известно, и не только о его слоях, лежащих вблизи земной поверхности, но и на больших высотах.

Для исследования верхних слоев воздуха люди поднималисьна специальных воздушных шарах с герметически закрытыми кабинами — стратостатах. На рис.  изображен стратостат «Осоавиахим», на котором советские аэронавты в 1934 году достигли высоты 22 км.

Еще большей высоты достигают шары-зонды. Они позволяют исследовать свойства воздуха на высоте до 40 км. Эти шары оборудованы специальными устройствами, которые автоматически записывают показания приборов, берут пробы воздуха и передают при помощи радиосигналов показания приборов на землю.

Более высокие слои атмосферы изучают при помощи ракет, снабженных необходимыми приборами. В настоящее время ракеты поднимаются уже на высоту до 200 км. После того как запас горючего ракеты кончается,механизм выбрасывает парашют, на котором опускаются приборы и корпус ракеты.

О том как сделать самую простую модель парашута, смотри здесь - МОДЕЛЬ ПАРАШЮТА

Исследования показали, что воздух образует вокруг земного шара газовую оболочку, простирающуюся на большую высоту Эту оболочку называют атмосферой (от греческих слов: атмос — воздух, дыхание, пар и сфайра — оболочка, сфера,шар).

Атмосфера состоит из смеси различных газов. У земной по верхности воздух более чем на три четверти состоит из азота, около одной пятой занимает кислород, остальное — различные газы: аргон, углекислота и др. Такой состав сохраняется почти неизменным в средних широтах до высоты 11 км. Выше количество кислорода быстро падает, а азота становится больше.

Атмосфера имеет слоистое строение, причем различные слои ее имеют разные свойства. Слой, прилегающий непосредственно к земле и простирающийся вверх до 11 км, называют тропосферой, далее стратосфера, от 11 до 80 км, а еще выше — ионосфера. Выше 80 км начинается зона очень разреженных газов.

Воздух обладает весом. Поэтому верхние слои воздуха давят на нижние и, сдавливая, увеличивают их плотность. Вследствие этого большая часть (по весу) воздуха сосредоточена вблизи земной поверхности. Половина всего воздуха находится в пределах первых 5,5 км, а в толще 10 км воздуха содержится около трех четвертей.

По той же причине с высотой изменяется и давление возду­ха: на высоте 5 км оно составляет около половины земного, на 10 км — около четверти, а на 20 км — немного более одной двадцатой.

Изменяется с высотой и температура воздуха.

Исследования показывают, что в тропосфере с подъемом температура воздуха снижается на каждый километр в среднем на 6,5°. На высоте И—30 км изменений температуры не наблюдается, затем до высоты 50 км отмечается повышение температуры, потом опять понижение, а затем с высоты 80 км температура возрастает и на высоте 180 км достигает 700°.

В тропосфере, в пределах которой в основном пока летают самолеты и другие летательные аппараты, происходит интен­сивное перемешивание воздуха, здесь образуются облака, вы­падают осадки, дуют ветры. Все эти явления изучаются наукой, называемой метеорологией.

Движение воздуха вызывается действием солнца.

ВОЗДУШНЫЕ ТЕЧЕНИЯ И ИХ ПРИЧИНЫ

Солнечные лучи проходят сквозь массы воздуха, но мало их нагревают. Поверхность же земли под солнечными лучами нагревается быстро. Прогрев земной поверхности происходит неравномерно. Пашня, луг и лес прогреваются по-разному. От соприкосновения с ними воздух также прогревается, но по-разному в различных местах. По мере прогревания у земли массы воздуха местами становятся легче окружающих его объемов и всплывают, поднимаются, образуя восходящие потоки.

С подъемом на высоту воздух охлаждается; достигая неко­торой высоты, влага, находящаяся в нем, сгущается и в виде белого пара выпадает из воздуха, образуя облака.

Охладившись в верхних слоях атмосферы, массы воздуха опускаются, образуя нисходящие потоки; на их место приходят более теплые потоки. Так возникает движение воздуха у земли, которое мы называем ветром (рис. 72).

Разница в нагреве различных участков поверхности земли, например Африки и Европы, приводит к постоянному передви-жению огромных масс воздуха и возникновению сезонных постоянных ветров, дующих длительное время в одном направлении. Эти ветры называются муссонами. Наиболее харак­терным примером передвижения воздуха (ветра), направление которого зависит от степени нагрева приземных масс воздуха, можно наблюдать у берегов больших водоемов. Земля прогре­вается быстрее воды, но вода дольше удерживает тепло и мед­леннее охлаждается. Вследствие этого днем воздух нагревается больше над земной поверхностью и ветер дует со стороны водоема. Вечером вода оказывается теплее земли и воздух над водой будет тоже теплее, ветер будет дуть с суши на воду.

Такие, меняющие свое направление в течение дня, ветры называют бризами. Дневной бриз дует на сушу, ночной — на воду.

Полеты летающих моделей большей частью происходят в. приземном слое воздуха, на высоте до 300—400 м. Воздушная среда вблизи земли может быть в различном состоянии.

Состояние воздушной среды, когда нет заметного движения воздуха, называется штилем. Штиль облегчает запуск моделей. Ветер же, как правило, мешает запуску и в особенности регулировке летающих моделей. При ветре трудно распознать, и определить неточности в регулировке и недостатки в устойчивости модели. Поэтому неотрегулированные модели во время полета в ветер часто терпят аварии.

Для запуска летающих змеев ветер является необходимым условием, и тогда он желанный помощник моделиста. Поэтому нужно уметь определять не только направление ветра, но и скорость его, или, как говорят, силу ветра.

Скорость ветра можно определить приборами. Простейший измеритель скорости ветра изображен на рис. 73. Более точные приборы называются анемометрами (рис. 74). Приближенно скорость ветра можно определить по различным признакам: движению дыма, веток и листьев деревьев, волнам на воде и т. д., по таблице, приведенной на рис. 75.

Рис. 73. Простой измеритель скорости ветра  Рис. 74. Измеритель ско­рости ветра (анемометр)

В воздухе происходят и другие явления.

При горизонтальном ветре перемещающиеся массы воздуха встречают всякого рода наземные препятствия и неровности: горы, деревья, дома и др. От соприкосновения с ними воздух в приземном его слое перемешивается, приходит в вихреобраз- ное движение. Доказательством существования такого вихревого движения может служить движение дыма клубами, зигзагообразный полет детских воздушных шаров, непрерывное полоскание на ветру полотнищ флагов и многие другие примеры.

Именно это вихреобразное состояние приземного воздуха создает порывы ветра и является наиболее опасным для лег­ких и малоустойчивых летающих моделей. Модель летит как бы в гигантских волнах воздушного океана, которые ее то оста­навливают, то бросают вверх или вниз.

Совсем другое дело самолет: он настолько велик и тяжел, что эти волны для него все равно, что мелкая рябь на воде для парохода. Однако и большие самолеты, пролетая над жаркими районами, то проваливаются, то подбрасываются воздушными волнами.

Натекание воздуха на возвышенности местности при ветре также приводит к образованию восходящих течений (рис. 76). Эти течения называются потоками обтекания, или динамическими потоками. Они издавна используются планери­стами для совершения длительных парящих безмоторных поле­тов на планерах. Моделисты также используют эти потоки и запускают в них специально разработанные для этих полетов летающие модели планеров.

Восходящие течения воздуха используются авиамоделистами для достижения продолжительных полетов моделей. Попав в восходящий поток, модель может часами парить под облаками, не снижаясь, а иногда входит в них и уносится — улетает вместе с ними.

Советские мастера авиамодельного спорта умеют хорошо использовать восходящие потоки и строить модели, способные парить часами. Этим искусством должен овладевать каждый авиамоделист с самых первых шагов своих в авиамоделизме. А для этого надо внимательно изучать свойства воздуха.

КАК ИССЛЕДУЮТСЯ СВОЙСТВА ВОЗДУХА

Воздух оказывает сопротивление всякому телу, которое движется в нем. Как правило, приходится искать способы уменьшать это сопротивление. Но воздух, оказывая давление на тела, движущиеся в нем, развивает и подъемную силу, которая поддерживает в полете не только маленькие модели, но и большие воздушные корабли, весом во много тысяч килограммов. Как правило, стараются получить возможно большую подъемную силу.

Но как это сделать? Как уменьшить сопротивление и одно­временно увеличить подъемную силу? От чего зависят величины сопротивлении и подъемной силы?

Ответа на этот вопрос люди искали давно. Одним из таких исследователей явился создатель первого самолета, русский ученый и изобретатель А. Ф. Можайский. Он поступил весьма просто: на тележку, которая могла двигаться по ровной поверхности с необходимой скоростью, ставились весы с крылом. Во время движения тележки набегавший на «рыло воздух оказывал ему сопротивление и поднимал его. Эти силы Можайский измерял при помощи весов. Заставляя тележку двигаться с разными скоростями, изменяя угол атаки крыла и его форму, он получил ответы на интересующие его вопросы.

Позднее ученые пришли к выводу, что заставить воздух на­бегать на крыло (чтобы измерить силы) можно и по-другому, что необязательно двигать в воздухе крыло. В самом деле, ведь совершенно тот же результат получится, если заставить набегать на неподвижное крыло воздух. А сделать это просто. Один из первых людей, которым удалось решить эту задачу, был наш знаменитый ученый К. Э. Циолковский. Он построил одну из первых так называемых аэродинамических труб. В его трубе вентилятор (рис. 77), вращаемый падающим грузом, приводил в движение воздух и дул на крыло. Возникавшие при этом силы Циолковский измерял при помощи весов.

6 — испытуемое тело

Впоследствии были по­строены более совершен­ные трубы, позволившие подробно изучить законы, по которым образуются силы давления воздуха на всякие тела, в нем движу­щиеся. Подобными иссле­дованиями занимается наука, названная аэро­динамикой.

Знаменитый русский ученый Н. Е. Жуковский развивал эту науку. Он организовал ряд исследовательских институтов и, в частности, крупнейший аэродинамический институт, носящий теперь его имя и оснащенный самыми совершенными аэродинамическими трубами.

На рис. 78 показана схема современной аэродинамической трубы. Труба представляет длинный и постепенно сужающийся канал, в самом узком месте которого помещают исследуемое тело — крыло, модель самолета и т. п. Мощный двигатель,
установленный сзади, приводит во вращение вентилятор, который засасывает воздух в трубу. В трубе возникает поток воздуха, набегающий на исследуемое тело. Скорость потока регулируется изменением скорости вращения вентилятора.

мической трубы

Современные трубы очень велики и позволяют испытывать даже довольно большие самолеты.

Исследования, или, как их иначе называют, продувки, в аэродинамических трубах позволили выяснить, от чего зависит величина сопротивлении воздуха. Как уже говорилось выше, сопротивление будет тем больше, чем больше скорость движения тела (модели, самолета и т. п.) в воздухе. Сопротивление изменяется, если изменить положение тела относительно линии движения.

Большое практическое значение имеет обнаруженная опытным путем зависимость сопротивления от формы тела. На рис. 79 показано несколько тел различной формы и разных размеров. Как показали продувки, они имеют одинаковое сопротивление, т. е. маленький плоский квадрат имеет то же сопротивление, что и большое тело сигарообразной формы.

Плавные очертания этого тела позволяют воздуху спокойно обтекать его, постепенно обходя его контур. Воздуху «удобно» обтекать тело, если его очертания плавны и не имеют уступов, резких переломов или отверстий. Подобные тела называют удобообтекаемыми. Иногда их называют каплевидными потому, что капля жидкости, падающая в воздухе, подвергаясь давлению с его стороны, принимает вытянутую удобообтекаемую форму, уменьшающую сопротивление воздуха.

Живые существа, движущиеся в воздухе или воде, приспо­сабливаясь к этому в течение многих тысячелетий, приняли наконец удобообтекаемые формы. Птицы, рыбы имеют обтекаемую форму.

Желая уменьшить сопротивление воздуха, применяют удобообтекаемые формы для своих самолетов и авиаконструк­торы. Даже автомобилям сейчас придают хорошие, плавные очертания, так как это сберегает «силы мотора» и позволяет повысить скорость движения автомобилей.

Так же следует поступать и авиамоделистам при конструи­ровании, не говоря уже о том, что плавные очертания и хоро­шая форма моделей приятны для глаза.