ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАШУЩЕГО ПОЛЁТА, МАЛОИЗУЧЕННОЕ ЯВЛЕНИЕ В ОБЛАСТИ АЭРОДИНАМИКИ И ВОПРОС О ЭФФЕКТИВНОСТИ ВИБРОЛЁТА
Аннотация: В результате экспериментов с движением в вязкой среде асимметрично колеблющихся тел было обнаружено, что общепринятое представление о таком принципе движения является не верным. Даётся описание экспериментов и наблюдаемого эффекта, а так же его интерпретация.
УДК 533.664
Введение
Целью данной статьи является обратить внимание на малоизученное явление в области аэродинамики, более детальное изучение которого, по мнению автора, даст существенный толчок развитию аэрокосмической области. Сейчас используются 4 основных принципа двигателей: винтовой; реактивный; с использованием воздушных потоков в качестве движущей силы; с использованием лёгкого газа. Все эти принципы имеют свои преимущества и недостатки, а их комбинация часто приводит к снижению общих характеристик. Новые типы двигателей, принципы которых основаны на теоретических изысканиях, так и не были найдены, а их поиски создали массу псевдонаучных идей. И при этом в природе существует самая совершенная форма полёта, которую человек так и не освоил до конца. Это машущий полёт, который как убедится читатель, является синтезом вышеперечисленных способов полёта.
Актуальность
На сегодняшний день в разных странах мира ведутся исследования с целью использования принципа машущего полёта в практических целях. Существуют некоторые роботизированные модели, имеющие машущие крылья, но по эффективности они уступают классическим летательным аппаратам. Их ресурс существенно ограничивается сложностью конструкции, что не позволяет реализовать им большую мощность. Тем не менее, уже много лет существует так и оставшееся на бумаге техническое решение этого вопроса - вибролёт.
Цели и задачи
Автор провел экспериментальную работу, целью которой было исследование способа движения в однородной среде путем асимметричных колебаний. Им были созданы макеты летательных аппаратов с вибрирующими крыльями, и проведена серия испытаний, в которых исследовались их характеристики. Автор обнаружил, что результаты его экспериментов не соответствуют общепринятой научной теории движения таких аппаратов.
Классическое описание принципа
Для начала рассмотрим общепринятые теории движения в вязкой среде асимметрично колеблющихся тел. Наиболее известным из них является объяснение принципа движения инерциоида в жидкости:
Принцип действия инерциоидов заключается в том, что их целенаправленное движение вызывается различием силы сопротивления при прямом и обратном полутакте работы. При сухом трении сопротивление медленному движению превышает сопротивление быстрому (при одном полутакте, когда прилагается малая сила, сила трения покоя не преодолевается и аппарат остаётся на месте; при обратном полутакте сила трения преодолевается, аппарат движется). В жидкостях наоборот — сопротивление быстрому движению преобладает над сопротивлением медленному движению. Объяснение эффекта в жидкостях принципиально иное (так как в жидкостях и газах нет силы трения покоя) и основано на вязкостных силах трения.
Описание принципа движения в воздухе, такое же, как и движение инерциоида в жидкой среде, имеет вибролёт:
Чтобы получить представление о механизме возникновения силы тяги, рассмотрим вначале возникновение силы тяги при перемещениях пластины в одной среде с различными скоростями прямого и обратного ходов.
Сила тяги при различных режимах прямого и обратного ходов в одной и той же среде перемещения возникает за счёт следующих двух эффектов.
1) Нелинейной зависимости сопротивления среды перемещению движителя от его скорости и ее производных - даже для симметрично выполненного движителя (например, круглой пластины, перемещающейся по нормали). За счет различного режима прямого и обратного ходов средняя сила сопротивления не будет равна нулю и может достичь величины, достаточной для осуществления движения. При перемещении движителя в рабочем ходе со скоростью, в 10 раз превышающей скорость холостого хода КПД движителя, т.е. отношение энергии, полезно используемой движителем, к энергии, полученной движителем, может достичь величины, приближающейся к 90%.
2) Несимметричность движителя относительно плоскости, перпендикулярной направлению движения, может приводить к тому, что возникает тяговое усилие даже при совпадении скоростей прямого и обратного ходов. Этот эффект - зависимость лобового сопротивления от формы тела и при ее несимметричности от направления движения - хорошо известен в аэродинамике.
Экспериментальные наблюдения явления
Если эффект вызванный разницей сопротивлений при симметричных колебаниях асимметричного тела не вызывает никаких сомнений, то в отношении асимметрично колеблющихся симметричных тел эксперимент показывает прямо противоположный теории результат - движение происходит в сторону быстрого рывка, а не медленного. Это наглядно демонстрирует простейший эксперимент: опускаем в воду прямую ладонь, делаем быстрое движение в одну сторону, медленное в другую, и при обратном движении ощущаем гораздо большее сопротивление, чем этого следовало ожидать. Происходит следующее - когда мы толкаем воду вперед, позади ладони образуется разреженная среда, и её последующее схлопывание создает давление. Это объясняется работой сил отталкивания и притяжения молекул воды, броуновского движения, которое в догоняющем турбулентном вихре становится направленным.
Таким образом, классический пример с баржей и автомобилем имеет следующее описание: судно смещается относительно центра масс, сопротивление воды слегка отталкивает его обратно, а потом, спустя некоторое время, течение, вызванное смещением судна, толкает его в сторону этого смещения. Одинаково при асимметричных колебаниях симметричного тела, и при симметричных колебаниях асимметричного тела, движение среды происходит по одному принципу.
В аэродинамике хорошо известны подобные явления. При резком снижении вертолета происходит последующая неконтролируемая потеря высоты в результате образования кольцевого вихря, вызванного движением вниз воздушной массы, которую, снижаясь, толкнул вертолет. Другой пример, это маневр "кобра", при котором истребитель резко задирает нос, чем вызывает восходящий поток под собой, позволяющий ему резко сбросить скорость и как будто зависнуть на месте.
Читать далее:
http://sci-article.ru/stat.php?i=1601957819
