Еще древние греки заметили, что струна, натянутая на ветру, иногда начинает мелодично звучать — петь. Возможно, уже тогда была известна эолова арфа, названная по имени бога ветра Эола. Эолова арфа состоит из рамки, на которой натянуто несколько струн; ее помещают в таком месте, где струны обдуваются ветром. Если даже ограничиться одной струной, можно получить целый ряд различных тонов. Нечто подобное, но с го- раздо меньшим разнообразием тонов происходит, когда ветер приводит в движение телеграфные провода. Довольно долго это и многие другие явления, связанные с обтеканием тел воздухом и водой, не были объяснены. Только Ньютон, основополож- ник современной механики, дал первый научный подход к решению таких задач. По закону сопротивления движению тел в жидкости или газе, откры- тому Ньютоном, сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости: F = Kpv2S. Здесь v — скорость тела, S — площадь его сечения, перпендикулярного направлению скорости, р — плотность жидкости. 149 В дальнейшем выяснилось, что формула Ньютона верна не всегда. В том случае, когда скорость движения тела мала по сравнению со скоро- стями теплового движения молекул, закон сопротивления Ньютона уже не справедлив. Как мы уже обсуждали в предыдущих разделах, при до- статочно медленном движении тела сила сопротивления пропорциональна его скорости (закон Стокса), а не ее квадрату, как это происходит при быстром движении. Такая ситуация возникает, например, при движении мелких капель дождя в облаке, при оседании осадка в стакане, при дви- жении капель вещества А в «Волшебной лампе». Однако в современной технике с ее стремительными скоростями обычно справедлив закон сопро- тивления Ньютона. Казалось бы, раз известны законы сопротивления, можно объяснить гудение проводов или пение эоловой арфы. Но это не так. Ведь если бы сила сопротивления была постоянной (или росла с увеличением скорости), то ветер просто натягивал бы струну, а не возбуждал ее звучания. В чем же дело? Чтобы объяснить звучание струны, оказывается не- достаточно тех простых представлений о силе сопротивления, которые мы только что разобрали. Давайте обсудим более детально некоторые типы течения жидкости вокруг неподвижного тела (это удобнее, чем рассматри- вать движение тела в неподвижной жидкости, а отзет, разумеется, будет тот же). Посмотрите на рис. 17.1. Это случай малой скорости жидкости. Линии тока жидкости огибают цилиндр (на рисунке показано сечение) и плавно продолжаются за ним. Такой поток называется ламинарным. Сила сопротивления в этом случае обязана своим происхождением внутреннему трению в жидкости (вязкости) и пропорциональна v. Скорость жидкости в любом месте, так же как и сила сопротивления, не зависит от времени (поток стационарный). Этот случай для нас не представляет интереса. Рис. 17.1: Линии медленного ламинарного потока вокруг цилиндрической проволоки. Но взгляните на рис. 17.2. Скорость потока увеличилась, и в области за цилиндром появились водовороты жидкости — вихри. Трение в этом случае уже не определяет полностью характер процесса. Все большую 150 Глава 17. Почему гудят провода роль начинают играть изменения количества движения, происходящие не в микроскопическом масштабе, а в масштабе, сравнимом с размерами тела. Сила сопротивления становится пропорциональной v2. Рис. 17.2: При больших скоростях за проволокой возникают вихри. И, наконец, на рис. 17.3 скорость потока еще больше возросла, и вихри выстроились в правильные цепочки. Вот он, ключ к объяснению загадки! Эти цепочки вихрей, периодически срывающихся с поверхности струны, и возбуждают ее звучание, подобно тому, как вызывают звучание струн гитары периодические прикосновения к ним пальцев музыканта. Рис. 17.3: В быстрых потоках за обтекаемым телом образуется периодическая цепочка вихрей. Явление правильного расположения вихрей позади обтекаемого тела впервые было изучено экспериментально немецким физиком Бенаром в начале нашего века. Но только благодаря последовавшим вскоре работам Кармана1 такое течение, казавшееся сначала весьма своеобразным, полу- чило объяснение. По имени этого ученого система периодических вихрей сейчас называется дорожкой Кармана. По мере дальнейшего возрастания скорости у вихрей остается все меньше и меньше времени, чтобы расплываться на большую область жид- кости. Вихревая зона становится узкой, вихри перемешиваются, и поток 'Т. фон Карман A881 — 1963) родился в Венгрии, во время Второй Мировой Войны работал в США, затем в ФРГ. Специалист по ракето- и самолетостроению, аэро- и гидромеханике. Создатель первых сверхзвуковых самолетов. 151 становится хаотичным и нерегулярным (турбулентным). Правда, при очень больших скоростях в экспериментах последнего времени обнаружено по- явление какой-то новой периодичности, но детали ее до сих пор пока еще не ясны. Может показаться, что вихревая дорожка Кармана — просто краси- вое явление природы, не имеющее практического значения. Но это не так. Провода линий электропередачи также колеблются под действием ветра, дующего с постоянной скоростью, из-за отрыва вихрей. В местах креп- ления проводов к опорам возникают значительные усилия, которые могут приводить к разрушениям. Под действием ветра раскачиваются высокие дымовые трубы. Рис. 17.4: Раскачивание колебаний турбулентными вихрями привело в 1940 г. к разрушению Такомского моста в США. Однако наиболее широкую известность, безусловно, приобрели коле- бания Такомского моста в Америке. Этот мост простоял всего несколько месяцев и разрушился 7 ноября 1940 г. На рис. 17.4 показан вид моста во время колебаний. Вихри отрывались от несущей конструкции проезжей части моста. После длительных исследований мост был воздвигнут сно- ва, только поверхности, обдуваемые ветром, имели другую форму. Таким образом, была устранена причина, вызывавшая колебания моста.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Почему гудят провода» з дисципліни «Дивовижна фізика»
