ОМ Непростой журнал
Во время продумывания дизайна парусов для гоночных яхт, команда аэродинамиков натолкнулась на способ, благодаря которому нисходящую силу воздуха, обтекающего объект странной формы, можно внезапно превратить в мощный восходящий поток. Сочетая классическую, но обычно несопоставимую физику обтекания воздухом крыла самолета и мяча для гольфа, ученые надеются получить новый тип механического переключателя, положение которого будет зависеть от скорости течения окружающей его жидкости. Скорее всего, это поможет разработать более эффективную систему стабилизации таких аппаратов, как, к примеру, подводные глайдеры.
Эффект работы механизма поразителен. Возьмите асимметричный тупой предмет, к примеру кусок трубы, и поместите его круглой стороной вверх в плотном воздушном потоке. Если скорость потока низкая, то он будет отклоняться и толкать трубу вниз, придавая ей так называемую отрицательную подъемную силу. Однако если скорость выше порогового значения, то объект внезапно получит подъемную силу, как это бывает с крылом самолета. Исследовать этот феномен взялись Патрик Бота из Исследовательского института военно-морской академии (IRENav) во Франции и Марк Рабад из Университета Париж-юг XI, опубликовавшие результаты своих наблюдений в журнале Physical Review Letters.
Этот эффект сплавляет физику шаров и крыльев самолета. Когда мяч движется вперед, воздух обтекает его. Когда скорость потока ниже пороговой, обтекание потока не полное — он просто достигает самой широкой части мяча и расходится в стороны, чтобы схлопнуться и образовать таком образом завихрение, по форме напоминающее воздушного змея с хвостом. Этот «турбулентный след» тянется за мячом на протяжении всего полета и замедляет его продвижение в воздушной среде. Крыло же, в отличие от мяча, в 10 раз шире своей толщины. Это делается по двум причинам: верхняя часть крыла обычно выгнута вверх, в то время как нижняя относительно плоская. Кроме того, крыло сидит под углом, передний край которого немного выше заднего. В результате, согласно принципу Бернулли, быстрый поток воздуха оказывает большее давление, чем медленный, благодаря чему давление на низ крыла выше давления на его верхнюю часть, и крыло как-бы «выталкивается» вверх.
На первый взгляд, «half-pipe» (тот самый асимметричный отрез трубы) исследователей по характеру обтекания больше напоминает мяч, нежели крыло. Когда скорость потока ниже пороговой, он получает отрицательную подъемную силу, но по мере увеличения скорости сила внезапно становится положительной. Почему так? Все дело в изменении параметра, который физики называют числом Рейнольдса. В случае с броском мяча оно определяется размером тела и вязкостью воздуха: тонкий слой турбулентного воздуха, покрывающий летящий мяч, действует как своего рода смазка на высоких скоростях, сводя сопротивление среды к минимуму. Именно поэтому мяч для гольфа покрыт небольшими выемками — они увеличивают площадь мяча и тем самым растет количество «воздушной смазки».
Чтобы продемонстрировать этот эффект, исследователи провели опыт с проточной водой вместо воздуха. Они поместили халф-пайп в резервуар с жидкостью и измерили различные силы, действующие на него. Для визуализации потока была использован шнурок с крошечными пластиковыми бусинами, отслеживаемыми с помощью лазерного трекинга. Как и предполагалось, по мере увеличения скорости потока и преодоления критической точки, сила сопротивления резко упала, а подъемная сила возросла.
Теория — это хорошо, но каково практическое применение этого физического опыта? С его помощью можно, к примеру, изготовить автоматический регулятор мощности потока внутри трубы. Таким переключатели, в теории, также могут стабилизировать самолет или подводный глайдер механическим способом, без необходимости использовать электрические и пневматические системы. Плюсы этой «пассивной схемы регуляции заключаются в ее простоте, а следовательно — в надежности и высокой экономии электроэнергии.
