Гидродинамика

Движущей силы

При плавании

Свойства движущейся жидкости значительно отличаются от свойств жидкости, находящейся в покое, поэтому, как только рука и вода на­чинают двигаться относительно друг друга, возникает гидродинами­ческое сопротивление — сила, обеспечивающая движение объекта в жидкости. Анализ механики греб­ка обычно делался без учета такого сопротивления и результирующих реакций течения.

При анализе гребка за основу можно взять принципы гидродина­мики. Это дает возможность: по­нять сущность движущей силы и уяснить особенности воздействия на воду при гребке с различной траекторией; проанализировать движущую силу путем соотноше­ния реакций течения с особеннос­тями механики гребка посредством оценки размеров и формы завихре­ний, а также места их возникнове­ния; проанализировать условия обеспечения наибольшей движу­щей силы.

Как и любая жидкость, под воз­действием силы вода изменяет свою форму, что проявляется в те­чении и изменении ее упругости, которая, в свою очередь, обуслов­лена вязкостью. Течение и упру­гость являются теми характеристи­ками движущейся воды, которые довольно объективно может оце­нить любой квалифицированный пловец.

Линию тока (обтекания), указы­вающую направление и скорость течения, определяют как кривую, всегда касательную к течению. По­этому жидкость не может пересе-

кать линию тока, она только течет вдоль нее. Скорость движения жид­кости выше там, где линии тока ближе друг к другу, и ниже — там, где расстояние между ними боль­ше.

Если линии тока сохраняют оди­наковую форму, можно говорить о равномерности течения. Анализи­ровать структуру равномерного те­чения намного легче, чем неравно­мерного.

Течение вокруг погруженного в воду объекта можно изобразить на диаграмме линиями тока. В случае если скорость жидкости в данной точке зависит не только от ее поло­жения, но и от времени, линии то­ка постоянно изменяются. Сово­купность всех линий тока в тот или иной момент образует сиюминут­ную структуру течения, которую можно представить линиями тока, показывающими направление тече­ния в различных точках. Из бесчис­ленного количества линий тока обычно выбирают пять —десять ли­ний, чтобы они разделили течение на несколько «каналов», каждый из которых несет одинаковое количес­тво воды за равное время. Умень­шение ширины способствует уве­личению скорости течения. По структуре течения определяют не только его направление, но и ско­рость в любой точке потока воды (рис. 2.1), а зная ее, специалисты в области гидроаэродинамики могут определить и силу давления в гра­ницах течения.

Еще в XVIII ст. Эйлер и Бернул-ли основали школу классической гидродинамики для изучения дви-

ЧАСТЬ 1

Техника спортивного плавания

Рис. 2.1

Структура течения вокруг крыла с указанием направ­ления и скорости течения; меньший промежуток между линиями тока показывает участки наиболее высокой скорости

Рис. 2.2

Классическая гидродинами­ческая модель структуры течения «идеально» теку­щей среды без учета вяз­кости жидкости; рисунок иллюстрирует структуру течения вокруг препятст­вия цилиндрической формы

Рис. 2.3

Турбулентное течение позади погруженных тел: цилиндрической формы (а); обтекаемой формы (б); пограничные слои «замедленной» жидкости заштрихованы

жения в гипотетической «иде­альной» жидкости. Однако линии на диаграммах структуры течения такой жидкости правильны, посто­янны (рис. 2.2) и не объясняют яв­ления, при которых важна роль вязкости. Без стрелок, указыва­ющих направление течения, его не­возможно было бы определить из-за абсолютной симметричности структур течения и давления. Кро­ме того, согласно теории идеальной жидкости, она скользит за телом, «не прилипая» к нему и не образуя пограничного слоя. Симметрич­ность структуры течения и отсут­ствие слоя «задерживающейся» жидкости в этой идеальной невяз­кой жидкости означает, что на ци­линдр не действует сила сопротив­ления.

Ввиду относительно небольшой вязкости воды и воздуха, по край­ней мере по сравнению с такими жидкостями, как масло, в некото­рых случаях можно было бы допус­тить применение теории идеальной жидкости, однако не при анализе

структуры их течения мимо твердо­го объекта, когда их вязкостью нельзя пренебречь (рис. 2.3).

Тонкие линии на рис. 2.3 отра­жают средние траектории движе­ния потока. Имеется и погранич­ный слой «замедленной» жидкости вокруг передней половины цилин­дра (заштрихованной), в котором элементы жидкости прилипают к объекту, что повышает вязкость и замедляет движение их «соседей». С другой стороны, движущиеся «соседи» воздействуют в направле­нии вниз на «приклеивающиеся» элементы, которые, в свою очередь, сообщают его телу в виде поверх­ностного сопротивления.

Вода не может ускоряться до бесконечности именно из-за своей вязкости (внутреннего трения), при отсутствии которой скорость тече­ния в реках достигала бы сотен ки­лометров в час, что имело бы до­вольно плачевные последствия. Пловец способен «захватить» воду лишь потому, что вязкость воды способствует разделению потока, а это приводит к различию давления вокруг руки. При определенных условиях этот дифференциал дав­ления обеспечивает сопротивле­ние, вследствие которого возника­ет движущая сила (Каунсилмен, 1982). Однако вязкость не только помогает пловцу продвигаться впе­ред, но и создает сопротивление формы, затрудняющее его продви­жение, в результате чего к телу «прилипают» контактирующие с ним элементы жидкости. Относи­тельно этих элементов двигаются соседствующие с ними, что «вклю­чает» противодействующие движе­нию и вызывающие трение силы сопротивления.

Большая часть вязкой дефор­мации происходит в пределах пог­раничного слоя — относительно тонкой зоны, непосредственно прилегающей к поверхности тела, которое движется в водной среде. Пограничный слой, который состо­ит из ряда очень тонких слоев, всегда имеет градиент скорости;

ГЛАВА 2

Дата добавления: 2015-11-26