Метеорология авиамоделиста, рекордные полеты планера
Воздух, как воздух движется у землиЧтобы представить себе состояние воздуха, в котором совершается полет модели, надо знать, как движется воздух, какие явления способствуют или сопутствуют образованию благоприятных условий для полета моделей.
Атмосферный воздух представляет собой смесь кислорода (около 23%), азота (около 75%) и небольшого количества других газов.
Во всех аэродинамических расчетах большую роль играет удельный вес воздуха, т. е. его вес в объеме одного кубического метра. Удельный вес воздуха обозначается буквой т (гамма) и измеряется в кг/м3.
При нормальных условиях, т. е. при давлении 760 мм ртутного столба и температуре +15°С, 1 ж3 воздуха весит 1,226 кг. Такие условия наблюдаются в летние месяцы у поверхности земли.
При других давлении и температуре плотность воздуха изменяется, ее можно подсчитать по формуле:
С высотой плотность воздуха уменьшается — он становится разреженным и более легким.
Как правило, воздух находится в постоянном движении. Его горизонтальное перемещение называется ветром, вертикальные перемещения называются восходящими я нисходящими потоками.
Ветер и потоки воздуха вызываются разными причинами. Одной из них является нагрев от земной поверхности, с которой воздух соприкасается. Солнечные лучи проходят свободно сквозь слои воздуха и непосредственно не нагревают его, а нагревают поверхность земли и все, что на ней находится.
Соприкасающийся с нагретой солнечными лучами землей воздух также нагревается; это относится только к нижним (приземным) слоям. Нагревшись, воздух расширяется, становится легче соседних окружающих его объемов и, выталкиваемый ими вверх, поднимается. С подъемом на высоту воздух, расширяясь, охлаждается и, став тяжелее разреженных окружающий его масс воздуха на высоте, вновь начинает опускаться. Такое перемешивание слоев воздуха происходит непрерывно, так как почти всегда земля и воздух имеют разную температуру. Это перемешивание, сопровождающееся тепловым обменом, называется конвекцией.
Нагрев земной поверхности лучами солнца и ее остывание происходят неравномерно. Например, вспаханная поверхность (пашня) нагревается быстрее, лес и водная поверхность — медленнее. В то же время вода я лес остывают медленнее, а пашня быстрее. Следовательно, температура приземного воздуха и конвекция в нем зависят от характера земной поверхности.
Над однородной, равномерно прогретой поверхностью образуются мелкие вертикальные потоки: они хорошо видны в виде ряби воздуха над полями (рис. 213).
Различный нагрев приводит и к появлению ветра. Воздух, двигающийся над земной поверхностью и ее неровностями, завихряется и теряет свое слоистое строение, которое мы наблюдаем при отсутствии ветра (в штиль). Это приводит к тому, что в разных местах летного поля ветер имеет различное направление и силу. Более того, направление и сила ветра иногда резко меняются в течение небольшого промежутка времени. Это не может не сказаться на полете моделей. Завихренность воздуха легко заметить по зигзагообразному полету детских воздушных шаров, по движению дыма и волнам, образующимся на полях хлебов.
Как правило, воздух находится в постоянном движении. Его горизонтальное перемещение называется ветром, вертикальные перемещения называются восходящими я нисходящими потоками.
Ветер и потоки воздуха вызываются разными причинами. Одной из них является нагрев от земной поверхности, с которой воздух соприкасается. Солнечные лучи проходят свободно сквозь слои воздуха и непосредственно не нагревают его, а нагревают поверхность земли и все, что на ней находится.
Соприкасающийся с нагретой солнечными лучами землей воздух также нагревается; это относится только к нижним (приземным) слоям. Нагревшись, воздух расширяется, становится легче соседних окружающих его объемов и, выталкиваемый ими вверх, поднимается. С подъемом на высоту воздух, расширяясь, охлаждается и, став тяжелее разреженных окружающий его масс воздуха на высоте, вновь начинает опускаться. Такое перемешивание слоев воздуха происходит непрерывно, так как почти всегда земля и воздух имеют разную температуру. Это перемешивание, сопровождающееся тепловым обменом, называется конвекцией.
Нагрев земной поверхности лучами солнца и ее остывание происходят неравномерно. Например, вспаханная поверхность (пашня) нагревается быстрее, лес и водная поверхность — медленнее. В то же время вода я лес остывают медленнее, а пашня быстрее. Следовательно, температура приземного воздуха и конвекция в нем зависят от характера земной поверхности.
Над однородной, равномерно прогретой поверхностью образуются мелкие вертикальные потоки: они хорошо видны в виде ряби воздуха над полями (рис. 213).
Различный нагрев приводит и к появлению ветра. Воздух, двигающийся над земной поверхностью и ее неровностями, завихряется и теряет свое слоистое строение, которое мы наблюдаем при отсутствии ветра (в штиль). Это приводит к тому, что в разных местах летного поля ветер имеет различное направление и силу. Более того, направление и сила ветра иногда резко меняются в течение небольшого промежутка времени. Это не может не сказаться на полете моделей. Завихренность воздуха легко заметить по зигзагообразному полету детских воздушных шаров, по движению дыма и волнам, образующимся на полях хлебов.
Рис. 213. Движение воздуха, нагретого от поверхности земли , видимое глазом в виде ряби.
Полет модели в этих условиях затруднен: все время меняются силы, действующие на модель, и ее бросает в воздухе из стороны в сторону.
Когда земная поверхность представляет собой сочетание больших и различно прогретых площадей, например поля аэродрома и леса или поля аэродрома с травяным покровом и черной пашни, возникают более или менее постоянные потоки воздуха (рис. 214), расцространяющиеся иногда на высоту до 2—3 км и имеющие вертикальные скорости, доходящие до 5—6 м/сек. Особенно сильные потоки возникают у влажного морокого воздуха, оказавшегося над сушей.
Рис. 214. Образование восходящих потоков воздуха над различно прогреваемой поверхностью
Как правило, вблизи земли восходящие потоки слабее, а на высоте 50—60 м потоки имеют скорость, достаточную для парения моделей. Еще выше потоки становятся еще сильнее.
С увеличением высоты температура поднимающегося воздуха уменьшается. Охладившись до температуры, при которой начинается конденсация влаги (в виде образования тумана), воздух замедляет свое движение.
«Сгустившийся» воздух продолжает восходящее движение н образует кучевые облака (рис. 215).
Ночью, когда нагрев от солнца отсутствует, вертикальные течения воздуха не прекращаются, так как нагретые за день разные участки земной поверхности остывают по-разному: одни быстрее, другие медленнее.
Наземные предметы, которые легко нагреваются, так же быстро и остывают, а те части земной поверхности, которые медленно нагреваются, медленнее и остывают. На рис. 216 изображена схема потоков (конвекции) у большого водоема в разное время суток.
Кроме вертикальных потоков, почти всегда бывают, как уже было сказано, горизонтальные перемещения воздушных масс — ветер. Горизонтальное и вертикальное движение воздуха происходит одновременно, поэтому получается сложное движение,
С увеличением высоты температура поднимающегося воздуха уменьшается. Охладившись до температуры, при которой начинается конденсация влаги (в виде образования тумана), воздух замедляет свое движение.
«Сгустившийся» воздух продолжает восходящее движение н образует кучевые облака (рис. 215).
Ночью, когда нагрев от солнца отсутствует, вертикальные течения воздуха не прекращаются, так как нагретые за день разные участки земной поверхности остывают по-разному: одни быстрее, другие медленнее.
Наземные предметы, которые легко нагреваются, так же быстро и остывают, а те части земной поверхности, которые медленно нагреваются, медленнее и остывают. На рис. 216 изображена схема потоков (конвекции) у большого водоема в разное время суток.
Кроме вертикальных потоков, почти всегда бывают, как уже было сказано, горизонтальные перемещения воздушных масс — ветер. Горизонтальное и вертикальное движение воздуха происходит одновременно, поэтому получается сложное движение,
Рис. 216. Схема потоков воздуха у водоемов днем и ночью.которое схематически изображено на рис. 217. Воздушные массы, движущиеся в горизонтальном направлении (ветер) с различной скоростью, на высоте отклоняют вертикальные потоки в направлении своего движения. Поэтому в верхней части с наветренной стороны конвекция затормаживается, в нижней части ускоряется, так как здесь скорость подъема воздуха складывается со скоростью ветра. С другой стороны происходит наоборот: получается зона затишья, которую нетрудно заметить и определить ее размеры по средней скорости ветра и времени периода затишья, наступающего во время прохождения облака.
Рис. 217. Схема конвекции при наличии горизонтального перемещения воздуха.
При скорости ветра 2—3 м/сек продолжительность затишья бывает равна 30—40 сек.
Важно отметить, что вертикальная скорость у краев восходящего потока довольно резко меняется как по силе, так и по направлению. На расстоянии одного метра скорость восходящего потока может увеличиваться или уменьшаться. Это обстоятельство имеет большое влияние на полеты моделей.
Измерения, проведенные метеорологами, говорят о том, что восходящие потоки средней силы, образующиеся над пересеченной местностью средней полосы СССР, вертикальная скорость которых достигает более 0,25 м/сек, имеют ширину от 50 до 300 м и высоту до 2,5 км.
Кроме парения моделей у земли в установившихся конвекционных потоках, летающие модели парят и на большой высоте, под отдельными кучевыми облаками, входят в них к уносятся ветром вместе с облаком.
Облако, как мы видели, образуется над каким-то определенным местом. При временном затемнении места земной поверхности, вызвавшего конвекцию, облако теряет связь с поверхностью земли в том смысле, что к нему уже не притекает нагретый влажный воздух. Оно отрывается от места своего образования и начинает двигаться.по ветру.
При скорости ветра 2—3 м/сек продолжительность затишья бывает равна 30—40 сек.
Важно отметить, что вертикальная скорость у краев восходящего потока довольно резко меняется как по силе, так и по направлению. На расстоянии одного метра скорость восходящего потока может увеличиваться или уменьшаться. Это обстоятельство имеет большое влияние на полеты моделей.
Измерения, проведенные метеорологами, говорят о том, что восходящие потоки средней силы, образующиеся над пересеченной местностью средней полосы СССР, вертикальная скорость которых достигает более 0,25 м/сек, имеют ширину от 50 до 300 м и высоту до 2,5 км.
Кроме парения моделей у земли в установившихся конвекционных потоках, летающие модели парят и на большой высоте, под отдельными кучевыми облаками, входят в них к уносятся ветром вместе с облаком.
Облако, как мы видели, образуется над каким-то определенным местом. При временном затемнении места земной поверхности, вызвавшего конвекцию, облако теряет связь с поверхностью земли в том смысле, что к нему уже не притекает нагретый влажный воздух. Оно отрывается от места своего образования и начинает двигаться.по ветру.
Рис. 218. Облако, потерявшее связь с землей, переносится ветром. в нем продолжаются перемешиваться слои.
Вертикальные перемещения воздуха в движущихся облаках продолжаются и даже развиваются, захватывая в высоту до 2—3 км ширину 500—1000 м, начинаясь довольно низко (рис. 218).
Также переносятся и небольшие массы воздуха (без облаков), лежащие выше 75—100 м. Над этими потоками образуются небольшие, медленно перемещающиеся кучевые облака. Именно в этих потоках лучше всего парят летающие модели. Благоприятное время запуска парящей модели можно определить довольно точно по затишью, которое всегда бывает при приближении таких потоков. Их интенсивность может быть определена по движению вниз краев облака.
Если облако плывет невысоко над землей, то и восходящие потоки проходят близко от поверхности земли и ими легко воспользоваться моделистам.
Руководствуясь рис. 217, можно определить время, когда следует запускать модель при подходе к месту полетов кучевого облака. Стоя в точке А при подходе облака, мы ощутим уменьшение ветра, вызванное тем, что мы попадаем в зону затишья. Как видно из схемы, второй период соответствует положению в центре всех потоков и наиболее выгодному времени для запуска парящих моделей. После этого периода следует ожидать усиления ветра, при котором есть восходящие потоки, но появляется риск поломки при запуске моделей. Вслед за этим ветер станет ровнее и слабее, но восходящих потоков уже не будет.
Облака, плывущие на различных высотах, образуют многоярусную облачность, в которой в бесконечном многообразии сочетаются всякого рода воздушные течения. Для моделистов, проектирующих парящие модели, основной является задача сообщить им такие свойства, которые способствовали бы входу модели в восходящие потоки и препятствовали ее выходу из них, а в нисходящих потоках, наоборот, препятствовали входу и ускоряли выход.
Изучив природу возникновения движения воздуха, можно довольно точно выбрать благоприятное время и место для запуска моделей.
Восходящие потоки воздуха у склон горы
Над склонами гор и холмов образуются восходящие течения воздуха вследствие того, что воздушные массы, натекая на склоны, вынуждены подниматься и огибать профиль склона (рис. 219). Такие потоки называются восходящими динамическими потоками, или восходящими потоками обтекания.
В горизонтальной плоскости воздух тоже меняет свое направление и огибает возвышенные места. Со склонов запускают только модели планеров, причем в этом случае запуск их на соревнованиях производится с рук.
Когда планер попадает в зону, где вертикальные скорости воздуха больше, чем скорость снижения планеров, он начинает подниматься, т. е. парить. Величина благоприятной для парения области зависит от профиля склона и скорости ветра. Эта область довольно узкая и располагается вдоль наветренного склона. Высота области обычно достигает одной-двух высот склона.
Средние вертикальные скорости Wy непосредственно у склона могут быть определены, если известны скорость ветра W и угол склона «, по формуле:
Вертикальные перемещения воздуха в движущихся облаках продолжаются и даже развиваются, захватывая в высоту до 2—3 км ширину 500—1000 м, начинаясь довольно низко (рис. 218).
Также переносятся и небольшие массы воздуха (без облаков), лежащие выше 75—100 м. Над этими потоками образуются небольшие, медленно перемещающиеся кучевые облака. Именно в этих потоках лучше всего парят летающие модели. Благоприятное время запуска парящей модели можно определить довольно точно по затишью, которое всегда бывает при приближении таких потоков. Их интенсивность может быть определена по движению вниз краев облака.
Если облако плывет невысоко над землей, то и восходящие потоки проходят близко от поверхности земли и ими легко воспользоваться моделистам.
Руководствуясь рис. 217, можно определить время, когда следует запускать модель при подходе к месту полетов кучевого облака. Стоя в точке А при подходе облака, мы ощутим уменьшение ветра, вызванное тем, что мы попадаем в зону затишья. Как видно из схемы, второй период соответствует положению в центре всех потоков и наиболее выгодному времени для запуска парящих моделей. После этого периода следует ожидать усиления ветра, при котором есть восходящие потоки, но появляется риск поломки при запуске моделей. Вслед за этим ветер станет ровнее и слабее, но восходящих потоков уже не будет.
Облака, плывущие на различных высотах, образуют многоярусную облачность, в которой в бесконечном многообразии сочетаются всякого рода воздушные течения. Для моделистов, проектирующих парящие модели, основной является задача сообщить им такие свойства, которые способствовали бы входу модели в восходящие потоки и препятствовали ее выходу из них, а в нисходящих потоках, наоборот, препятствовали входу и ускоряли выход.
Изучив природу возникновения движения воздуха, можно довольно точно выбрать благоприятное время и место для запуска моделей.
Восходящие потоки воздуха у склон горы
Над склонами гор и холмов образуются восходящие течения воздуха вследствие того, что воздушные массы, натекая на склоны, вынуждены подниматься и огибать профиль склона (рис. 219). Такие потоки называются восходящими динамическими потоками, или восходящими потоками обтекания.
В горизонтальной плоскости воздух тоже меняет свое направление и огибает возвышенные места. Со склонов запускают только модели планеров, причем в этом случае запуск их на соревнованиях производится с рук.
Когда планер попадает в зону, где вертикальные скорости воздуха больше, чем скорость снижения планеров, он начинает подниматься, т. е. парить. Величина благоприятной для парения области зависит от профиля склона и скорости ветра. Эта область довольно узкая и располагается вдоль наветренного склона. Высота области обычно достигает одной-двух высот склона.
Средние вертикальные скорости Wy непосредственно у склона могут быть определены, если известны скорость ветра W и угол склона «, по формуле:
Рис. 220. Парение модели планера в зоне восходящего потока
В зоне соприкосновения нисходящих конвективных потоков и восходящих потоков обтекания над склоном образуется зона затишья, являющаяся своеобразным барьером для набора высоты непосредственно над склоном. Если поток достигает уровня конденсации, то над склоном или перед ним образуется кучевое облако, стоящее на месте, несмотря даже на значительный ветер у земли.
Параллельные, т. е. существующие рядом (бок о бок), потоки с успехом использовались моделистами для продолжительных парящих полетов моделей планеров. Запуск и полет в этом случае происходят следующим образом: моделист регулирует модель так, чтобы она, набрав высоту над склоном при запуске с рук, пронизала бы потоки обтекания и оказалась над долиной (где действует восходящий конвективный поток), имея высоту, равную или немного меньшую высоты склона. Как только модель попадает в зону восходящего конвективного потока, у нее должен сработать специальный механизм, который отклоняет руль поворота: планер начинает описывать круги в зоне восходящего потока, набирает высоту и зачастую входит в облако над склоном. Именно так парили большие планеры на склонах горы Узун-Сырт в Коктебеле. Так же были произведены запуски и полеты моделей Ю. Соколова на международных соревнованиях в Венгрии.
В зоне соприкосновения нисходящих конвективных потоков и восходящих потоков обтекания над склоном образуется зона затишья, являющаяся своеобразным барьером для набора высоты непосредственно над склоном. Если поток достигает уровня конденсации, то над склоном или перед ним образуется кучевое облако, стоящее на месте, несмотря даже на значительный ветер у земли.
Параллельные, т. е. существующие рядом (бок о бок), потоки с успехом использовались моделистами для продолжительных парящих полетов моделей планеров. Запуск и полет в этом случае происходят следующим образом: моделист регулирует модель так, чтобы она, набрав высоту над склоном при запуске с рук, пронизала бы потоки обтекания и оказалась над долиной (где действует восходящий конвективный поток), имея высоту, равную или немного меньшую высоты склона. Как только модель попадает в зону восходящего конвективного потока, у нее должен сработать специальный механизм, который отклоняет руль поворота: планер начинает описывать круги в зоне восходящего потока, набирает высоту и зачастую входит в облако над склоном. Именно так парили большие планеры на склонах горы Узун-Сырт в Коктебеле. Так же были произведены запуски и полеты моделей Ю. Соколова на международных соревнованиях в Венгрии.
Комментариев нет:
Отправить комментарий