Astronet > Mehanika sploshnyh sred

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Mehanika sploshnyh sred

Vozduhoplavanie.

Obratim vnimanie na tot fakt, chto plotnost' atmosfery na urovne stratopauzy umen'shaetsya priblizitel'no na 5 poryadkov, odnako etogo okazyvaetsya dostatochno, chtoby osushestvit' vozduhoplavanie s primeneniem aerostatov i stratostatov vplot' do vysot ~50 km. Aerostaty - letatel'nye apparaty legche vozduha. Oni podderzhivayutsya v vozduhe blagodarya pod'emnoi sile zaklyuchennogo v obolochke aerostata gaza s plotnost'yu, men'shei plotnosti vozduha (vodorod, gelii, svetil'nyi gaz). Aerostaty, prednaznachennye dlya poletov v stratosferu, nazyvayutsya stratostatami. Aerostaty delyatsya na upravlyaemye, ili dirizhabli, snabzhennye dvigatelyami, i neupravlyaemye. Neupravlyaemye aerostaty ispol'zuyutsya dlya svobodnyh poletov po vetru (svobodnye aerostaty). Oni takzhe mogut "viset'" nepodvizhno v atmosfere, esli ih prisoedinit'. trosom k zakreplennoi na zemle lebedke (privyaznye aerostaty). Konstrukciya aerostata (ris. 2.17) vklyuchaet obolochku (1), soderzhashuyu legkii gaz, gondolu (2) dlya razmesheniya ekipazha i apparatury i podvesku (3), krepyashuyu gondolu k obolochke. Dlya pod'ema na bol'shie vysoty ob'em obolochki dolzhen sostavlyat' 100000-800000 m³. Obolochka aerostata izgotavlivaetsya iz special'nyh gazoderzhashih polotnish i meridional'nyh usilitel'nyh lent.

Ris. 2.17.

Pod'emnaya sila 1 m³ vodoroda u zemnoi poverhnosti ravna priblizitel'no 1,15 kG, a bolee tyazhelogo, no bezopasnogo, geliya - 1 kG. Eto oznachaet, chto esli ves osnashennogo aerostata raven 1 tonne, to v obolochku dostatochno zakachat' >1000 m³ geliya, i aerostat vzletit. Izbytok pod'emnoi sily uravnoveshivayut ballastom. Zametim, chto obolochka zapolnyaetsya lish' chastichno, i eto pozvolyaet zashitit' ee ot perenapryazheniya. Pri pod'eme po mere umen'sheniya davleniya atmosfery legkii gaz v obolochke rasshiryaetsya. Hotya pod'emnaya sila kazhdogo kubicheskogo metra gaza v obolochke i padaet, odnako pod'emnaya sila obolochki ostaetsya postoyannoi. Na nekotoroi vysote legkii gaz zaimet ves' ob'em obolochki, i poslednyaya primet sharoobraznuyu formu. Pri dal'neishem pod'eme chast' legkogo gaza budet vyhodit' cherez otkrytyi rukav (4), i pod'emnaya sila aerostata budet umen'shat'sya. Pod'em budet prodolzhat'sya do teh por, poka ne uravnyayutsya ves i pod'emnaya sila aerostata. Maksimal'naya vysota poleta dostigaetsya sbrasyvaniem ballasta. Dlya spuska otkryvaetsya gazovyi klapan (5) v verhnei chasti obolochki. Pod'emnaya sila padaet, i aerostat opuskaetsya. Poskol'ku davlenie atmosfery nachinaet rasti, to obolochka snova teryaet formu shara. Pri prizemlenii massa legkogo gaza vsegda men'she ego nachal'noi massy. Chtoby predotvratit' udar gondoly o zemlyu iz-za padeniya pod'emnoi sily, neobhodimo pered posadkoi umen'shit' massu aerostata. Eto dostigaetsya vybrasyvaniem ostayushegosya ballasta. S pomosh'yu vysotnyh aerostatov osushestvlyayutsya mnogochislennye nauchnye issledovaniya. Razvitie tehniki aerostatnyh issledovanii svyazano s operativnost'yu provedeniya nauchnyh rabot i ih sravnitel'no nebol'shoi stoimost'yu. Krug nauchnyh zadach, reshaemyh pri etom, ochen' shirok: fizika Solnca i mezhplanetnoi sredy, $\gamma$ -astronomiya i drugie astrofizicheskie issledovaniya, fizika kosmicheskih luchei, processy v atmosfere Zemli i dr. V razvityh stranah raschet, konstruirovanie i proizvodstvo aerostatov imeyut vysokuyu stepen' komp'yuterizacii i avtomatizacii. Proizvodstvo aerostatnyh obolochek osushestvlyaetsya "na zakaz" pod zadannuyu massu poleznogo gruza. Ryadovymi yavlyayutsya polety aerostatov s obolochkami nulevogo davleniya s ob'emami 350000-850000 m³ i massoi poleznogo gruza 500-900 kg na vysotah 38-43 km i prodolzhitel'nost'yu poleta do 100 chasov. Sovremennye aerostaty sposobny letat' na vysotah primerno 50 km (rekordnaya vysota sostavlyaet 51,7 km), gruzopod'emnost' ih dostigaet neskol'kih tonn, prodolzhitel'nost' poleta - 10-15 sutok.

Centrifugirovanie.

V sootvetstvii s barometricheskoi formuloi plotnost' izotermicheskoi atmosfery takzhe ubyvaet s vysotoi po eksponencial'nomu zakonu

$\rho = \rho_0 e^{-\frac{\mu gx}{R{\bar T}}}.$

(2.41)

Poslednyaya formula daet raspredelenie srednei plotnosti atmosfery, sostoyashei iz razlichnyh gazov. Esli govorit' o parcial'noi plotnosti razlichnyh komponent, to plotnost' bolee tyazhelyh kisloroda O₂ ( $\mu$ = 32 g/mol') i azota N₂ ( $\mu$ = 28 g/mol') ubyvaet s vysotoi bystree, chem plotnost' legkogo geliya He ( $\mu$ = 2 g/mol'). Eto navodit na mysl' o vozmozhnosti razdeleniya legkih i tyazhelyh gazov v silovom pole. Naibolee uspeshno eto mozhno osushestvit' v bystro vrashayushihsya vokrug vertikal'noi osi barabanah (centrifugah), zapolnennyh smes'yu gazov. Dlya rascheta parcial'nogo davleniya i plotnosti kazhdogo gaza v centrifuge vospol'zuemsya ravenstvom (2.30). Potencial'naya energiya edinicy massy v pole centrobezhnoi sily i sily tyazhesti ravna:

$U_1(x,r)=-gx + \frac{1}{2}\omega^2 r^2.$

(2.42)

Pri postoyannoi temperature T = const

${\cal P}=\int\limits_{p_0}^{p}\frac{dp}{\rho}=\frac{RT}{\mu}\int\limits_{p_0}^{p}\frac{dp}{p}=\frac{RT}{\mu}\ln\frac{p}{p_0},$

(2.43)

gde p₀ - davlenie gaza v nekotoroi tochke na osi barabana. Togda iz usloviya ravnovesiya (2.30) nahodim

$p(x,r)=p_0 e^{\frac{\mu}{RT}(-gx+\frac{1}{2}\omega^2 r^2)}.$

(2.44)

Kak vidno iz (2.44), poverhnostyami ravnogo davleniya budut paraboloidy vrasheniya, pri etom p₀ - eto davlenie na edinstvennom paraboloide vrasheniya, dlya kotorogo

$-gx+\frac{1}{2}\omega^2 r^2=0.$

(2.45)

Kogda baraban sovremennoi centrifugi bystro vrashaetsya, sovershaya ~10⁵ oborotov v minutu, to centrobezhnaya sila prevoshodit silu tyazhesti takzhe v neskol'ko sot tysyach raz, i

$p(r)\cong p(0)e^{\frac{\mu\omega^2 r^2}{2RT}}.$

(2.46)

Smes' na periferii budet obogashat'sya tyazheloi komponentoi, tak kak plotnost' r proporcional'na davleniyu. Odnako, pri maloi molyarnoi masse razdelenie gazov posredstvom centrifugirovaniya ne budet effektivnym. Na praktike centrifugi primenyayut dlya razdeleniya gazoobraznyh soedinenii izotopov urana, tyazhelyh molekul (naprimer, belkovyh molekul, $\mu$ ~ 10⁴ g/mol') i drugih ob'ektov, yavlyayushihsya predmetom izucheniya biologii i himii.

Tornado.

Vrashenie atmosfery imeet mesto i v estestvennyh usloviyah. Naibolee vpechatlyayushim primerom takogo dvizheniya yavlyaetsya tornado. Tornado predstavlyaet soboi blizkii k vertikali vihr', v kotorom vozduh, vrashayas', odnovremenno dvizhetsya k osi vihrya i vverh vdol' nee. Vblizi ot vihrya (v yadre) davlenie sil'no ponizheno; eto zastavlyaet vozduh v sloe vysotoi neskol'ko desyatkov metrov vblizi poverhnosti Zemli ustremlyat'sya v nizhnyuyu chast' vihrya. Dostignuv ego kraya, vozduh nachinaet podnimat'sya vverh po spirali, poka v verhnei chasti tornado ne slivaetsya s vozdushnymi potokami. Po svoei prirode tornado - eto produkt vzaimodeistviya sil'noi grozy s vetrom v troposfere. V processe obrazovaniya tornado chast' gromadnoi energii grozovogo oblaka koncentriruetsya v ob'eme vozduha diametrom ne bolee neskol'kih soten metrov. Sil'naya groza obespechivaet vertikal'nyi podsos vozduha. V samom dele, teplye massy vozduha pod deistviem arhimedovoi sily mogut vsplyvat' vverh. Odnako pri vsplytii iz-za padeniya davleniya dvizhushiesya vverh massy budut rasshiryat'sya i ohlazhdat'sya. V troposfere temperatura mozhet umen'shat'sya s vysotoi bystree, chem ohlazhdaetsya podnimayushiisya ob'em vozduha. Eto oznachaet, chto atmosfera budet neustoichiva, i v nei imeet mesto svobodnaya vertikal'naya konvekciya. Poslednyaya usilivaetsya v grozovuyu pogodu pri vozrastanii vertikal'nogo perepada temperatur. Odnako, dlya togo, chtoby podnimayushiisya vozduh nachal vrashat'sya, neobhodim bokovoi veter s vozrastayushei s vysotoi skorost'yu. Vertikal'nyi gradient skorosti vetra yavlyaetsya prichinoi vrasheniya vozduha vokrug gorizontal'noi osi (ris. 2.18a), a nalichie vertikal'nogo dvizheniya vozduha privodit k ego spiral'nomu dvizheniyu (ris. 2.18b).

Ris. 2.18.

Soglasno sovremennym predstavleniyam, obrazovanie tornado proishodit v dve stupeni. Vnachale nachinaet zakruchivat'sya ves' stolb voshodyashego vozduha diametrom okolo 10-20 km, nazyvaemyi mezociklonom. Mezociklon s ponizhennym davleniem na ego osi podoben rukavu pylesosa (ris. 2.19). Vozduh v prizemnom sloe nachinaet zasasyvat'sya v etot mezociklon, pri etom ego skorost' pod vrashayushimsya stolbom dostigaet 100-120 km/ch.

Ris. 2.19.

Na vtoroi stadii po prichinam, kotorye eshe ne ponyaty, vnutri mezociklona, blizhe k ego periferii, obrazuetsya oblast' s diametrom ne bolee odnogo kilometra, v kotoroi na vysotah poryadka neskol'kih kilometrov proishodit usilenie vrasheniya (ris. 2.19). Zatem eto bystroe vrashenie peredaetsya vniz, vihrevaya trubka vytyagivaetsya pochti do Zemli, "povisaya" lish' v neskol'kih desyatkah metrov nad nei. Eto i est' tornado. Vertikal'naya skorost' vozduha na osi tornado mozhet dostigat' velichiny 300 km/ch. Iz-za vzaimodeistviya sil'nogo vetra s poverhnost'yu Zemli tornado chasto revut, kak reaktivnyi dvigatel'. Na protyazhenii korotkoi, ne bolee neskol'kih chasov, zhizni tornado obladaet ogromnoi razrushitel'noi siloi, smetayavse na svoem puti. Tornado zaregistrirovany vo mnogih raionah mira, odnako izlyublennoe mesto ih obitaniya - eto central'nye i yugo-vostochnye oblasti SShA, a takzhe Avstraliya. V etih raionah vesnoi i neskol'ko rezhe osen'yu sozdayutsya vse usloviya dlya vozniknoveniya sil'neishih groz, porozhdayushih tornado. K etim usloviyam otnosyatsya kraine neustoichivoe raspredelenie temperatury i vlazhnosti v atmosfere, rezkie holodnye atmosfernye fronty, obespechivayushie effektivnyi pod'em vozduha, i vysotnye vetry, sposobstvuyushie obrazovaniyu mezociklonov.

Nazad | Vpered

Publikacii s klyuchevymi slovami: mehanika - gidrodinamika - gazodinamika - uprugost' Publikacii so slovami: mehanika - gidrodinamika - gazodinamika - uprugost'
Sm. takzhe: D'Alambera-Eilera paradoks Mehanika tverdogo tela. Lekcii. Chislo Maha Variacionnye principy mehaniki Konus Maha Bernulli uravnenie Barotropnoe yavlenie Vse publikacii na tu zhe temu >>

Mneniya chitatelei [4]

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce