Полет птиц и насекомых без формул. Наглядное приложение к I части

И. Ю. Степанов

Книга «Полет птиц и насекомых без формул» – это единственная книга, посвященная теме полета птиц и насекомых, в которой вы не найдете ни одной формулы, ни одного математического уравнения. Книга предназначена для широкого круга читателей и будет полезна также программистам, пишущим компьютерные программы по полету птиц и насекомых.

Атмосфера Земли

Атмосфера Земли имеет слоистое строение. Слои атмосферы отличаются друг от друга температурой воздуха, его плотностью, количеством водяного пара в воздухе и другими свойствами. Говоря иначе, воздушный океан по своему строению напоминает дом. У него тоже есть свои «этажи».

Газообразная воздушная оболочка, окружающая весь земной шар, называется атмосферой (от греческих atmos-воздух и sphaira — шар). Атмосфера простирается до высоты свыше 1000 км. Ее обычно делят на тропосферу, непосредственно прилегающую к земной поверхности, стратосферу и ионосферу.

Воздух имеет массу и давит на поверхность земли с определенной силой. Давлением называется сила, приходящаяся на единицу поверхности. Эта сила обозначается буквой р.

В механике давление обычно измеряется в кгс/см². Давление в 1 кгс на 1 см² принято называть технической атмосферой. В аэродинамике давление измеряется в мм ртутного столба. Известно, что на уровне моря, при температуре плюс 15° С воздух давит на поверхность земли с силой 1 кгс на 1 см². С такой же силой давит столб ртути высотой 760 мм. Такое давление принято считать нормальным.

В зависимости от температуры и влажности воздуха меняется его плотность, что, в свою очередь, вызывает изменение давления. С подъемом на высоту давление понижается в строго определенной закономерности. Это дает возможность заранее определить, каким оно будет на той или иной высоте.

Свойство давления изменяться в зависимости от высоты используется в анероидно-мембранных устройствах: высотомерах, приборах автоматического раскрытия парашюта.

С увеличением высоты давление кислорода падает, а суммарное давление паров воды и углекислоты в лёгких остаётся почти постоянным — около 87 мм рт. ст. Поступление кислорода в лёгкие полностью прекратится, когда давление окружающего воздуха станет равным этой величине.

По мере подъёма на высоту над поверхностью Земли постепенно ослабляются, а затем и полностью исчезают такие привычные для нас явления, наблюдаемые в нижних слоях атмосферы, как распространение звука, возникновение аэродинамической подъёмной силы и сопротивления, передача тепла конвекцией и др.

До высот 60—90 км ещё возможно использование сопротивления и подъёмной силы воздуха для управляемого аэродинамического полёта. Но, начиная с высот 100—130 км знакомые каждому лётчику понятия числа М ' и звукового барьера теряют свой смысл, хотя при больших скоростях полёта там ещё можно применить аэродинамическое крыло.

Хотя атмосфера простирается вверх на многие сотни километров, основная масса воздуха сосредоточена в довольно тонком слое. Между уровнем моря и высотой 5—6 км находится половина массы атмосферы, в слое до 16 км-90%, а в слое до 30 км — 99%. Иначе говоря, плотность воздуха с высотой быстро уменьшается. Поэтому 1 м³ воздуха на уровне моря весит 1033 г, на высоте 12 км — 319 г, а на высоте 40 км — всего 4 г.

У поверхности Земли на 1 см² площади атмосфера давит с силой, равной 1033 г, а на 1 м² — уже 10333 кг. Таким образом, тело взрослого человека испытывает тяжесть, равную 12—15 тыс. кг, или 12—15 т, а ладонь его руки — 150 кг. Однако этой тяжести человек не ощущает, так как внешнее давление уравновешивается давлением внутри тела. Жизнь на Земле приспособлена именно к этому давлению, поэтому при подъеме на большие высоты самочувствие человека ухудшается не только из-за недостатка кислорода, но и из-за низкого давления.

Расстояние, на которое нужно подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 миллибар (миллибар (мб) — единица измерения давления), называется барометрической ступенью. В приземном слое она равна 8 м. Это значит, что на каждые 8 м поднятия давление понижается на 1 мб. В слое 4—6 км барометрическая ступень равна 13 м, а в слое 12—16 км она равна 40 м. Величина барометрической ступени зависит еще и от температуры воздуха.

Из выше описанного ясно, что нижние слои воздуха сжаты наиболее сильно и обладают большей потенциальной энергией. Миллионы лет слои атмосферы плавно наматывались на Землю и каждый слой укладывался в строгой последовательности и закономерности. При этом каждый слой имеет свою массу. Этой массой он давит на более нижние слои, вызывая в них процесс сжатия. Сжатие между молекулами воздуха приводит к накоплению энергии в слое, которая всегда готова вырваться наружу при любом удобном случае.

Каждый слой воздуха, в том числе и такой тонкий, как молекулярный, имеет свою толщину и свои границы, а также силы поверхностного натяжения, внутреннего напряжения, и т.д., но давление в слое будет тем ниже, чем выше находится слой в «бутерброде», который называется атмосферой.

Твердость слоя, наоборот, будет более выше у более нижнего слоя. Поэтому любое тело, находящееся в атмосфере, воспринимает своими частями разные внешние давления воздуха.

Рис. 1 Рисунок автора

На рисунке (Рис.1) давление над пластиной меньше, чем под пластиной.

Любое вещество — твердое, жидкое или газообразное — состоит из миллионов и миллионов крошечных молекул, расположенных, казалось бы, вплотную друг к другу. В действительности, однако, расстояния между молекулами не так уж малы по сравнению с их размерами, и молекулы удерживаются на этих расстояниях друг от друга благодаря действию сил, которое можно сравнить с действием пружин.

Молекулы нечувствительны к тому, какие именно другие молекулы становятся их соседями, но сильно реагируют на степень их близости.

Из сказанного становится ясно, каким образом твердые тела, жидкости и газы проявляют упругость при приложении напряжения — молекулы либо теснее сдвигаются, либо расходятся, а их пружиноподобные связи сжимаются или растягиваются. Как только напряжение снимается, «пружины» вернут молекулы в исходное положение равновесия. О молекулах газа правильнее сказать, что «пружины» не отталкивают их в прежнее положение, а раздвигают друг от друга на прежнее расстояние.

Молекулы воздуха, удерживаемые на некотором расстоянии друг от друга силами упругого типа, — это мельчайшие частицы вещества, и, следовательно, они обладают массой. Каждая молекула все-таки кое-что весит, а поскольку она обладает массой, она проявляет инерционные свойства.

Припомним первый закон Ньютона:

Каждое тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока внешняя сила не выведет его из этого состояния.

СИЛА — в механике — мера механического действия на данное материальное тело со стороны других тел. Это действие вызывает изменение скоростей точек тела или его деформацию, и может иметь место, как при непосредственном контакте (давлении прижатых друг к другу тел), так и через посредство создаваемых телами полей (поле тяготения, электромагнитное поле). Сила — величина векторная и в каждый момент времени характеризуется численным значением, направлением в пространстве и точкой приложения.

Например, как бы хорошо ни были смазаны петли тяжелой двери, чтобы закрыть ее, обязательно надо приложить усилие, потому что из-за своей массы она сопротивляется и не приходит сразу в движение. Когда же она придет в движение, понадобится почти такое же усилие, чтобы ее остановить.

Подобным образом, но в малом масштабе, сопротивляются изменению движения молекулы воздуха, ближайшие к поверхности слоя. Когда слой двигается, инерция не позволяет этим молекулам мгновенно прийти в движение, поэтому «пружины», отделяющие их от поверхности тела, сожмутся.

Потенциальная энергия, сообщенная телом этим «пружинам», заставит молекулы двигаться вперед. Молекулы, обладающие массой, придя в движение, приобретут кинетическую энергию; потенциальная энергия «пружин» превратится в кинетическую энергию молекул. Затем этот процесс повторится, молекулы первого слоя начнут толкать молекулы следующего слоя. Те, вследствие инерции, сопротивляются и приходят в движение только после того, как сожмутся «пружины», действующие между молекулами первого и второго слоев. Аналогичное явление (в гораздо более крупном масштабе) наблюдается, когда тепловоз толкает состав железнодорожных вагонов. Вследствие инерции первого вагона, и в меньшей мере трения, пружины его буферов сожмутся, и только после того, как они запасут достаточную потенциальную энергию, первый вагон начнет катиться по рельсам. При этом, он сожмет пружины буферов между первым и вторым вагонами и т. д.; в результате пройдет заметное время, прежде чем покатится также и последний вагон. Теперь легко понять, почему при быстром движении тела на небольшое расстояние весь воздушный столб в целом не приходит в движение мгновенно. Ведь каждому молекулярному слою нужно время, чтобы сдвинуть с места следующий слой.

Потребуется целая секунда для того, чтобы на протяжении 344 м воздух продвинулся вдоль трубы на расстояние, пройденное поршнем. Если бы молекулы были тяжелее или молекулярные силы слабее, времени понадобилось бы больше. Расстояние в 344 м относится к температуре в 20 °С, при 0 °С оно уменьшится до 332 м (с точностью до одного метра). Такое сокращение расстояния обусловлено тем, что при охлаждении молекулы сближаются, и, если бы мы могли подсчитать число слоев молекул воздуха в столбе длиной 344 м при 20 °С, оно равнялось бы числу слоев в столбе воздуха длиной 332 м при 0 °С

Все эти рассуждения вполне применимы и при движении тела назад. В этом случае оно не сжимает «пружины», а растягивает их до тех пор, пока ближайший к нему молекулярный слой не начнет также двигаться назад. Молекулы первого слоя, кинетическая энергия которых обусловлена этим движением, в свою очередь, растянут «пружины», связывающие их со следующим слоем, и т. д. В результате, после того, как тело сдвинулось сначала вперед, а потом назад, все молекулы вернутся на свои исходные места; при этом они передадут «толчок», не получив в итоге никакого остаточного перемещения.

Конец ознакомительного фрагмента.