Основы аэродинамики: стопами Кэрролла Смита. Повесть о балансе. Книга 4
«Сглаживание» (вместо предисловия)
Само появление гоночных автомобилей способствовало осознанию важности аэродинамического сопротивления. Первые полвека, ну или чуть больше, это было все, что они осознавали в области аэродинамики. Снижение лобового сопротивления подразумевало уменьшение площади поперечного сечения автомобиля. А также "сглаживании" всего, что выступало за габариты спорткара. "Сглаживание" было интуитивным и, что говорится, "на глазок". Большая часть попыток придать обтекаемые формы кузову потерпели неудачу. Хотя болид и получался быстрее на прямой (чем, например, его формульный собрат с открытыми колесами), – он неизменно оказывался тяжелее, сохраняя все особенности поведения кузова в повороте. В 60-х годах мы поняли, что подъемная сила по меньшей мере так же важна, как и лобовое сопротивление. С тех пор берет начало нынешняя эра аэродинамики. Аэродинамические изыскания проделали долгий путь: от спойлеров – к различным клиновидным корпусам и крыльям. Наконец, чересчур коротко остановились на "пылесосе" Джима Холла, который тут же объявили вне закона. Его Chaparral 2J генерировал область низкого давления под днищем, искусственно высасывая из-под машины воздух с помощью двух огромных вентиляторов. Годами позже будущий конструктор McLaren F1 Гордон Марри использовал подобную систему в экклстоуновском Brabham BT46B под видом продвинутой системы охлаждения.
Сегодня любой пилот, который планирует выигрывать гонки, должен знать об аэродинамике болида ровно столько же, сколько ему необходимо знать и обо всех других областях динамики. Это вовсе не означает, что мы с вами должны стать специалистами в области аэродинамики. Нам в той же мере совершенно не обязательно уметь проектировать, скажем, коробку передач, – чтобы грамотно с ней обращаться. Однако весьма желательно понимать, что она делает, как это функционирует и каковы возможные компромиссы в ее работе. Для начала нам понадобится не самый короткий список жизненно важных определений.
Аэродинамический словарик. Начало
Жидкость. Словарная статья определяет жидкость как "текучее вещество, способное принимать форму своего резервуара". Иными словами, жидкость – это любое вещество, обладающее маленьким внутренним трением; то есть – легко поддающееся давлению. Все жидкости и все газы текучи при той амплитуде температуры и давления, которая нас интересует. Очевидно тогда, что воздух – тоже жидкость. И он должен неуклонно подчиняться всем законам гидромеханики. Тот факт, что внутреннее трение между частицами воздуха (которым мы дышим и благодаря которому приводим в движение наши гоночные автомобили) очень низкое, вовсе не означает, что его давление равно нулю, или что воздух будет "течь", как нам заблагорассудится. Воздух будет вести себя в соответствии с законами гидромеханики – и никак иначе. Поэтому нам предпочтительнее понимать эти законы. Хотя бы в общих чертах.
Статическое давление – это естественное давление окружающей среды. Оно выражается в единицах массы на единицу площади. Например, в фунтах на квадратный дюйм (psi).
Динамическое давление. Согласно закону Бернулли, оно определяется половиной произведения плотности жидкости на квадрат скорость потока. Строго говоря, нам это знать совсем необязательно. Динамическое давление жидкости пропорционально разнице между статическим давлением, существующим перед нами, плывущими по воде, – и локальным давлением воды в точке нашего тела, где проводится измерение. И это то, что нам желательно знать и понимать! Динамическое давление прямо пропорционально локальному импульсу частиц жидкости; так сказать, движению капелек, взятому в моменте.
Линии обтекания. Если мы окрасим небольшую площадь поперечного сечения движущейся жидкости чем-то видимым (цветной дым в аэродинамической трубе или краситель в жидкости), то на боковой поверхности останется видна единственная линия. Она и называется линией обтекания и позволяет визуально изучать течение жидкости. Тела неправильно называют обтекаемыми, когда они имеют такую форму, что большая часть линий обтекания, проходящих вокруг тела, не нарушаются или не растворяются.
Ламинарный поток – такое состояние, при котором различные слои воздуха, или струи жидкости, не смешиваются друг с другом. При ламинарном течении все линии обтекания остаются практически параллельными. Относительные скорости различных слоев или линий обтекания неизменны, хотя скорость жидкости может изменяться. Ламинарный поток – это то, к чему мы всегда стремимся!
Турбулентный поток. Такое состояние, при котором различные слои жидкости или линии обтекания демонстрируют изменения скорости, смешиваются и закручиваются вихрями. Турбулентный поток – то, что нас тормозит!
Наглядный пример ламинарного и турбулентного течений – струйка благовонного дыма в неподвижном воздухе. Сначала шлейф будет подниматься плавно, а дым будет в виде линий обтекания. Рано или поздно шлейф "устает", начинает вздрагивать; появляется турбулентность, – и тогда линии обтекания пересекаются и разрушаются.
Пограничный слой (или – слой трения): сравнительно тонкий слой жидкости или газа, непосредственно соприкасающийся с поверхностью тела, которое движется сквозь жидкость или газ. Трение между телом и жидкостью замедляет поток относительно его внешнего значения до фактического нуля на поверхности тела. Течение в слое трения бывает как ламинарным, так и турбулентным; при этом сам слой может быть или тонким, или плотным. В передней части обтекаемого тела жидкость смещается в сторону, пограничный слой – тонкий, а поток – ламинарный. Внутреннее трение жидкости, а также трение между жидкостью и телом рассеивают часть энергии. По мере движения потока вдоль тела, пограничный слой обычно уплотняется и становится нестабильным. Если он чересчур плотный, другими словами – турбулентный, или если он попадает в область повышенного давления, – то слой трения отделяется от тела. Типичный пример – обтекание цилиндра потоком, как показано на рисунке 1. В передней части цилиндра давление максимально. По мере того, как пограничный слой обтекает переднюю часть цилиндра по направлению к верхней и нижней его частям, давление непрерывно падает. Однако за вершинами цилиндра оно снова возрастает. И очень быстро! Слой трения не в силах совладать с этой "борьбой на вершине". Он отделяется от тела на гребнях (или сразу за ними), создавая хаотичный поток с высоким сопротивлением.
