Начинаем вторую беседу. Сегодня речь о том, почему и как летает модель.
Один из известных тебе разделов физики рассказывает, как возникает или
видоизменяется движение любого тела. Очевидно, ты помнишь, что это происходит
под влиянием так называемых сил. Они представляют действие, оказываемое на
данное тело другим или другими телами.
Приведем пример. Модель летает над Землей. Она прежде всего находится
под влиянием силы тяготения Земли: Земля притягивает к себе модель, а она,
в свою очередь, притягивает Землю с такой же силой.
Силу тяготения называют весом модели и определяют его на весах различного
типа. Сила веса направлена к поверхности Земли, к ее центру, то есть вертикально.
На рисунках силы изображают стрелками: длина стрелки показывает величину
силы в единицах веса, а острие стрелки - направление ее действия. Так как вес
измеряют в килограммах или граммах (кг или г - так сокращенно обозначают
килограммы и граммы),
Беседа 2. ВОЗДУХ И МОДЕЛЬ
то стрелка для модели весом 320 г изобразится отрезком
длиной в 32 мм, если считать, что каждый мм равносилен 10 г. Количество граммов
веса в единице длины стрелки называется масштабом: в данном примере он равен
10 г в 1 мм. Сокращенно это записывают так: М = 10г/1мм или 10 г/мм.
Теперь вспомним, что же такое сила веса?
Силой веса данного тела называется сила притяжения его Землей. Величина силы
притяжения (веса), как это указывается в учебниках физики, зависит от массы
Земли и массы тела, в данном случае - модели.
Масса Земли по сравнению с массой модели огромна. И хотя они притягивают друг друга
с одинаковой силой, перемещение Земли под влиянием этой силы практически равно нулю.
Поэтому если даже рассматривать полет космических ракет, мы
будем считать Землю практически неподвижной в
пространстве, а все движение сведем к движению относительно
Земли, земной поверхности. Правда, дальность и высота
полета модели по сравнению с размерами Земли так малы,
что можно было бы об этом и не говорить: каждому ясно,
что, находясь на Земле, мы все движения рассматриваем относительно ее поверхности.
Сила веса зависит и от расстояния, разделяющего модель
и центр Земли. Так, если бы модель ракеты или другая модель
были способны удалиться от центра Земли на расстояние,
равное двум радиусам (радиус Земли - 6370 км), то сила
веса или тяготения на этой высоте оказалась бы в четыре
раза меньше, чем на поверхности Земли. Это означает, что
модель весом у поверхности Земли 320 г на таком удалении
весила бы всего 80 г. Однако модели, даже самые высотные,
летают настолько близко к поверхности Земли, что их расстояние
от ее центра можно считать неизменным. Вес модели
меняется в том случае, если снять с нее какой-либо груз
(выгорит топливо, сброшена какая-либо часть модели; раньше,
например, были модели со сбрасываемыми резиномоторами).
Ты можешь спросить: а разве не притягивают модель другие
планеты и Солнце? Конечно, притягивают, но очень слабо, и их
долей в создании веса можно пренебречь.
Теперь об аэродинамических силах. Если мы изучаем движение
спутников Земли в космическом пространстве, можно, как правило,
не думать об аэродинамических силах - силах, действующих
на тела со стороны воздуха. Но модель летает не просто над
Землей, а вблизи ее поверхности, в воздушной оболочке, называемой
атмосферой. Воздух, окружающий со всех сторон модель, является
сравнительно легким газом. Благодаря малой его плотности один кубический метр (м3)
воздуха у поверхности Земли весит всего 1226 г. Однако если
воздух сжать и тем самым повысить его плотность, вес увеличится.
1226 г весит кубометр воздуха только при нормальном давлении; оно составляет
у поверхности Земли 760 мм ртутного столба.
Несмотря на такую малую плотность, воздух сопротивляется. Он мешает всякому
телу, которое в нем движется. Вспомни: когда передвигаешься в воде, то хорошо
ощущаешь это сопротивление. Правда, вода примерно в 800 раз
плотнее воздуха. Поэтому сила сопротивления воздуха ощущается только при движении с
большой скоростью. Если стоять на ветру, дующем со скоростью 10-12 метров в секунду,
или бежать с такой же скоростью относительно неподвижного воздуха, то ощущаешь
сопротивление потому, что величина его достаточно заметна.
Таким образом, воздух - среда, в которой происходит движение моделей, не безучастен
к тому, куда и как движется модель. Чтобы модель могла двигаться, например.
вперед, она должна отбросить со своего пути, вытеснить какое-то количество воздуха,
какой-то его объем. Причем отбросить не только вперед, но и в стороны. Значит, Модель
обязана привести в движение какую-то массу воздуха, сообщить ей ускорение и скорость.
А это можно сделать, лишь приложив к массе воздуха силу (вспомни первый и второй законы механики).
В третьем законе механики, кратко формулируемом "действие равно противодействию",
указывается, что всегда, когда взаимодействуют две массы, действие одной вызывает
противодействие другой, равное по силе и направленное в противоположную сторону.
В нашем примере это означает, что модель, отбрасывая воздух вперед и в стороны,
обязательно окажется под воздействием силы противодействия воздуха его перемещению.
Такую силу и называют силой сопротивления воздуха или сопротивлением воздуха. В том,
что она существует, нетрудно убедиться на опыте.
Возьми, например, ракетку для игры в бадмингтон или просто лист картона, фанеры.
Если ракетку двигать в воздухе на вытянутой руке и достаточно быстро, то возникает сила
сопротивления. Она очень невелика, когда ракетка не оклеена. Но стоит
только оклеить ее бумагой, как ты сразу почувствуешь, что сопротивление выросло во
много раз. Ну, а если ты возьмешь большой лист фанеры или картона и, держа его перед
собой, попробуешь побежать, то заметишь, что двигаться из-за большого сопротивления
сможешь только сравнительно медленно, так как для быстрого движения у тебя просто не хватит сил.
Из этого простого опыта выясняется:
а) всякое тело, движущееся в воздухе, встречает с его стороны сопротивление;
б) сила сопротивления увеличивается с увеличением размеров тела;
в) сопротивление растет с увеличением скорости. Опыты показывают,
что при увеличении скорости в два или три раза, сопротивление растет
соответственно в четыре и девять раз.
Нетрудно также выяснить, что сопротивление воздуха зависит от
формы тела. Если взять за подставку небольшой
школьный глобус таких примерно размеров (по площади поперечного сечения),
как ракетка, то, размахивая им, заметишь,
что у ракетки, оклеенной бумагой, сопротивление больше.
И еще один интересный вывод можно сделать из нашего
несложного опыта. Возьми ракетку, оклеенную бумагой, и
вытяни руку. Если двигать ракеткой сначала так, что ее
плоскость составит угол 90° к направлению движения, а затем
этот угол - он называется углом атаки - постепенно
уменьшать, сохраняя скорость движения, то заметишь, что
сопротивление уменьшается по мере уменьшения угла атаки.
Когда угол атаки окажется равным нулю, сопротивление минимальное.
Но и это не все. Если двигать ракетку быстро, то легко
обнаружить, что в тех случаях, когда угол атаки не равен нулю или 90°, появляется новая
особенность - ракетка не только встречает сопротивление,
но и стремится отклониться кверху (или книзу). Такое отклонение может появиться
только под влиянием силы. Поэтому приходим к выводу, что в подобных случаях возникает
еще одна сила, действующая поперек - перпендикулярно - движения. Эту силу называют
подъемной силой. Почему она существует? По той же причине, что и сила
сопротивления: ракетка, перемещаясь с углом атаки, не равным нулю или 90°,
отбрасывает воздух не только вперед, в сторону своего движения, но и вниз, перпендикулярно
к направлению движения. От отбрасывания воздуха вперед получается сопротивление, а от его
отбрасывания вниз - подъемная сила.
Все ли ты понял? Если да, то вот тебе первое домашнее задание. Проверим опытным путем,
существует ли подъемная сила. Для этого построим самый простой "прибор" - плоский воздушный змей.
Возьми прямоугольный лист бумаги, в крайнем случае даже газетной, шириной в 300 мм и длиной 385 мм.
Сделай из сосны или другого подручного дерева три реечки:
две - длиной 500 мм и одну - 300 мм. Ширину каждой реечки
бери не более 5-6 мм, а толщину - 2 мм. Пометь середины
длинных реек и слегка свяжи их в этом месте так, чтобы
их можно было раздвинуть (см. рисунок).
К верхним концам длинных реек тонкой катушечной ниткой, лучше
белой, привяжи короткую рейку и все это наклей
на подготовленный лист бумаги. После склейки ты получишь
показанное на рисунке. Чтобы наш змей (ты уже его почти
сделал) лучше сохранял свою форму, полезно соединить все
концы реек тонкой нитью и приклеить эту нить к листу.
А теперь сделай уздечку: три нити, каждая длиной в
250 мм, привязаны одним концом к верхним концам реек и
перекрестию, а другие концы сведены в одну точку, к которой
привязывается длинная катушечная нить. Нижние концы
реек соедини между собой нитью длиной 500 мм и к ее
середине привяжи еще одну нить длиной метр - полтора:
это основа "хвоста" змея. Если через каждые 200-220 мм
привязать к длинной нити короткие бумажечки, то получим вполне готовый "хвост".
Проверь еще раз, правильно ли ты все сделал, промажь
нити любым клеем и положи змей сохнуть. КОГДА он высохнет, - займемся опытами.
О них мы расскажем в следующей беседе.
|
