Основи на аеродинамиката и теория на полета
Преди да започнем да анализираме подробно конструктивните особености и управлението на полета на парашута, трябва да се запознаем с елемента, в който парашутът "живее" - с въздуха. Процесите на взаимодействие на твърдо тяло с течен или газов поток около него се изучават от науката АЕРОХИДРОДИНАМИКА. Няма да навлизаме в дълбините на тази наука, но е необходимо да разглобим основните модели. На първо място, трябва да запомните основната формула на аеродинамиката - формулата на общата аеродинамична сила.
Общата аеродинамична силае силата, с която входящият въздушен поток действа върху твърдо тяло.
Център на натиск– точка на приложение на тази сила.R- Обща аеродинамична сила.Cr- Общ коефициент на аеродинамична сила.q- Динамична глава.S- Ефективна площ на тялото.
- Плътност на въздуха.V- Скоростта на тялото спрямо въздуха (или "въздушна скорост" на тялото).
Силата на въздействието на въздушния поток върху твърдо тяло зависи от много параметри, основните от които са формата и ориентацията на тялото в потока, линейните размери на тялото и интензивността на въздушния поток, която се определя от неговата плътност и скорост.
От формулата се вижда, че силата на въздушния поток върху тялото зависи от линейните размери на тялото, интензивността на въздушния поток, която се определя от неговата плътност и скорост, и коефициента на общата аеродинамична сила Cr.
Най-голям интерес в тази формула представлява коефициентът Cr, който се определя от много фактори, основните от които са формата на тялото и ориентацията му във въздушния поток. Аеродинамиката е експериментална наука. Формули, които позволяват абсолютно точно да се опише процесът на взаимодействие на твърдо тяло с настъпващ потокоще няма въздух. Беше забелязано обаче, че тела с еднаква форма (с различни линейни размери) взаимодействат с въздушния поток по един и същи начин. Може да се каже, чеCr=Rпри продухване на тяло с определен единичен размер с въздушен поток с единичен интензитет. Коефициентите от този вид са много широко използвани в аеродинамиката, тъй като позволяват да се изследват характеристиките на въздухоплавателните средства (LA) на техните намалени модели.
Когато твърдо тяло взаимодейства с въздушен поток, няма значение дали тялото се движи в неподвижен въздух или неподвижно тяло се обтича от движещ се въздушен поток. Получените сили на взаимодействие ще бъдат същите. Но от гледна точка на удобството на изучаване на тези сили е по-лесно да се справим с втория случай. Работата на аеродинамичните тунели се основава на този принцип, където фиксираните модели на самолети се издухват от въздушен поток, ускоряван от мощни вентилатори. Въпреки това дори незначителни неточности при производството на модели могат да доведат до определени грешки в измерванията. Следователно устройствата с малък размер се издухват в тръби с пълен размер
Нека разгледаме примери за въздушен поток около три тела с еднакво напречно сечение, но различни форми: плоча, монтирана перпендикулярно на потока, топка и тяло с форма на капка. В аеродинамиката има може би не съвсем строги, но много разбираеми термини: рационализирано и нелинейно тяло. Цифрите показват, че най-трудно е въздухът да тече около плочата. Зоната на вихрите зад него е максимална. Заоблената повърхност на топката се движи по-лесно. Вихровата зона е по-малка. А силата на потока върху топката е 40% от силата върху плочата. Но най-лесният начин е потокът да тече около тялотоформа на сълза. Завихряния практически не се образуват зад него и R спадът е само 4% от R плочата.
В разгледаните по-горе случаи силата R е насочена надолу по течението. При обтичане около някои тела общата аеродинамична сила може да бъде насочена не само по протежение на въздушния поток, но и да има страничен компонент.
Ако извадите свита длан от прозореца на бързо движеща се кола и я поставите под лек ъгъл спрямо настъпващия въздушен поток, тогава ще почувствате как дланта ви, хвърляйки въздушната маса в една посока, сама ще се стреми в обратната посока, сякаш се отблъсква от насрещния въздушен поток.
Схема на обтичане около наклонена плоча
Именно на принципа на отклонение на общата аеродинамична сила от посоката на въздушния поток се основава възможността за полети на почти всички видове летателни апарати, по-тежки от въздуха.
Планиращият се полет на безмоторно въздухоплавателно средство може да се сравни с търкаляне на шейна по планината. И шейната, и самолетът непрекъснато се движат надолу.Необходимият източник на енергия за задвижване на превозното средство е предварително набраната надморска височина.Както лугерът, така и пилотът на безмоторния самолет трябва да изкачат планина или по друг начин да наберат височина, преди да летят. Както за шейната, така и забезмоторния самолет, движещата сила е гравитацията.
За да не се обвързваме с определен тип летателни апарати (парашут, парапланер, делтапланер, планер), ще разглеждаме летателния апарат като материална точка. Нека се определи от резултатите от продухванията в аеродинамичния тунел, че общата аеродинамична сила R се отклонява от посоката на въздушния поток под ъгъл α. Малко по-късно ще видим, че когато въздухът тече около сферично тяло, силата R може да се отклони от посоката на потока и ще анализираме кога и защо това се случва
Сега си представете, че издигнахме изследваното тяло на определена височина и го оставихме да отиде там. Нека въздухът е неподвижен. Първоначално тялото ще падне вертикално надолу, ускорявайки се с ускорение, равно на ускорението на свободното падане, тъй като единствената сила, действаща върху него в тези моменти, ще бъде насочената надолу сила G. Въпреки това, когато скоростта се увеличава, ще влезе в действие аеродинамичната сила R. Когато твърдо тяло взаимодейства с въздушен поток, няма значение дали тялото се движи в неподвижен въздух или неподвижно тяло се облита от движещ се въздушен поток. Големината и посоката на силата R (спрямо посоката на въздушния поток) няма да се променят. Силата R започва да отклонява траекторията на тялото. Освен това, заедно с промяната на траекторията на полета, посоката на действие R спрямо повърхността на земята и гравитацията G също ще се променят.
Сили, действащи върху падащо тяло.
От 1-ви и 2-ри закон на Нютон следва, че тялото ще се движи равномерно и праволинейно, ако сумата на силите, действащи върху него, е нула.
Както бе споменато по-рано, две сили действат върху безмоторно въздухоплавателно средство:
- обща аеродинамична сила R.
Самолетът ще влезе в праволинеен режим на планиране, когато тези две сили се балансират една друга. Силата на гравитацията G е насочена надолу. Очевидно аеродинамичната сила R трябва да гледа нагоре и да е същата стойност като G.
Аеродинамичната сила R възниква при ДВИЖЕНИЕТО на тялото спрямо въздуха, тя се определя от формата на тялото и ориентацията му във въздушния поток. R ще бъде насочено вертикално нагоре, ако траекторията на тялото (неговата скорост V) е наклонена към земята под ъгъл от 90 °. Очевидно, за да може тялото да лети "далече", е необходимо ъгълът на отклонение на общата аеродинамикасилата от посоката на движение на въздушния поток е възможно най-голяма.