АТМОСФЕРА. ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРОЧИЕ СВОЙСТВА

 

Монографии    Книги    Журналы

 

 

 

atmosphera
Атмосфера

 

Для уяснения принципа полета летательных аппаратов (самолетов, вертолетов и пр.), изучение которого является предметом нашего внимания, необходимо предварительно познакомиться с атмосферным воздухом. С этой стороны нас будут интересовать только состава воздуха и его, главным образом плотность. Эти факторы в сильнейшей степени влияют как на самый полет, так и на деятельность человеческого организма в различных слоях атмосферы.

 

Атмосфера

Воздух окружает земной шар со всех сторон; высота его слоя, называемого атмосферой, определяется по определению ФАИ высотой 100 км. Объясняется это стремлением воздуха распространиться в мировое пространство. Этому стремлению препятствует вес его, т. е. сила земного притяжения, которая удерживает его вблизи земли. Воздух представляет собой механическую смесь невидимых для глаза различных газов, из которых основными являются азот (78,03% по объему) и кислород (20,99%). Кроме того, в воздухе всегда находятся переменные количества водяного пара, пыли и т. п. 

 atmospheric_structure
Строение атмосферы

Нижний слой атмосферы, примерно до 11 000—12000.» (в средних широтах), находится благодаря непрерывному движению (циркуляции), а также неравномерному нагреванию и охлаждению земли в состоянии постоянного перемешивания, вследствие чего весь состав атмосферы здесь почти постоянен; выше состав воздуха и процентное соотношение газов, в него входящих, все время изменяются.

По процессам, происходящим в атмосферной среде, она условно подразделяется на два слоя; нижний слой толщиной 10-16 км тропосферу, и вышележащий слой, простирающийся до высоты примерно 60 км, — стратосферу (рис слева). В нижнем слое воздуха вследствие близости земли происходит весьма энергичное вертикальное перемешивание частиц воздуха. Земля воздействует на этот слой воздуха как своим рельефом, так и тепловыми действиями. В тропосфере все время дуют ветры, образуются облака, выпадают осадки. В ней постоянно изменяются давление, температура, влажность. В стратосфере почти нет вертикального перемешивания слоев. Ветры обладают там большим постоянством, а облаков и туманов в ней не бывает. Температура в стратосфере почти постоянная и держится на уровне 56,5º ниже нуля. 

Воздух, как и все физические тела, имеет определенный вес и некоторую плотность. На уровне моря при температуре +15º, один кубический метр воздуха весит 1,225 кг. Огромные массы воздуха своим весом производят сильное давление, которое распространяется во все стороны. Этому давлению подвержены все предметы, находящиеся в воздушной среде; под этим же давлением находятся и сами воздушные массы, которые можно рассматривать, как бесконечное количество горизонтальных слоев, своим весом давящих каждый на все нижележащие.

Давление воздуха имеет наибольшую величину у поверхности земли на уровне моря; с высотой оно уменьшается и в самых высших слоях атмосферы достигает незначительной величины. В каждом горизонтальном слое воздуха давление зависит от высоты над уровнем моря;

На уровне моря давление воздуха при нормальных условиях, т. е. при температуре 15°, равно 1,033 кг на 1 см² поверхности. Для авиации изменяемость давления воздуха имеет весьма большое значение, так- как от давления зависит плотность воздуха — основное физическое свойство воздуха, непосредственно влияющее на полет самолета. 

Плотность воздуха, обозначаемая символом ρ (греческая ро) характеризует удельную массу воздуха, т. е. показывает массу воздуха, заключенную в единице объема (в 1 м²). Чем больше давление воздуха, тем больше частиц воздуха заключается в единице объема, тем больше плотность воздуха. Таким образом, воздух обладает наибольшей плотностью там, где он находится под максимальным давлением, т. е. у поверхности земли на уровне моря; с высотой благодаря понижению давления, плотность убывает.

На плотность воздуха, помимо давления последнего, оказывает сильное влияние его температура, которая изменяется в широких пределах в зависимости от погоды, времени года и высоты над поверхностью земли. С высотой температура воздуха уменьшается почти равномерно в пределах от 0.5 до 1° на каждые 100 метров высоты; однако это понижение продолжается только до 10 000—12 000 метров; выше температура меняется очень мало.

Давление, плотность и температура в довольно значительных пределах меняют свою величину в зависимости от высоты, ширины и долготы места наблюдения, времени года, метеорологических условий и ряда случайных обстоятельств. Поэтому данные различных проектов и результаты испытаний в воздухе летательных аппаратов, производимых в различных атмосферных условиях, в разных местах и в разное время года, получаются также непостоянными и затрудняющими проведение всяких сравнений. Для того чтобы иметь возможность сравнивать между собой данные, полученные, скажем, при проектировании и после испытания самолетов, или результаты испытаний самолетов, произведенных в разное время и в разных местах, условились пользоваться так называемой стандартной атмосферой.

В таблице стандартной атмосферы приведен некоторый условный, общий для любого времени закон изменения физического состояния атмосферы с высотой. Эта таблица международная и предусматривает она условное среднегодовое состояние атмосферы для северных широт земного шара (40—36°) с определенным распределением по высоте давления, плотности, удельного веса и температуры воздуха.

Удобства пользования стандартной атмосферой заключаются в том, что летные характеристики какого-либо летательного аппарата при его проектировании
подсчитываются применительно к условиям стандартной атмосферы, а данные
испытаний готового летательного аппарата, полученные при том или ином
состоянии атмосферы, пересчитываются и приводятся к этим же стандартным
условиям.
Ниже приводится в сокращенном виде таблица международной стандартной атмосферы.

 

Таблица параметры стандартной атмосферы

Т — термодинамическая температура,
К ρ — плотность, кг/м³
P – давление, мм.рт.ст. ,
Па а – скорость звука в потоке газе, м/с μ — молекулярная
масса газа (смеси газов)

Высота h, м P, мм рт.ст. P, Па. T, K p, кг/м3 а, м/с μ, Па-с v, м2
0 760 101323,2 288 1,188 340,1741 0,0000172 1,45E-05
100 751,032304 100127,6 287,35 1,176638 339,79 1,72E-05 1,46E-05
200 742,150473 98943,5 286,7 1,165359 339,4055 1,71E-05 1,47E-05
300 733,353877 97770,74 286,05 1,154163 339,0205 1,71E-05 1,48E-05
400 724,64189 96609,26 285,4 1,143049 338,6351 1,71E-05 1,49E-05
500 716,013888 95458,97 284,75 1,132017 338,2492 1,70E-05 1,51E-05
600 707,469249 94319,8 284,1 1,121067 337,863 1,70E-05 1,52E-05
700 699,007356 93191,66 283,45 1,110198 337,4762 1,70E-05 1,53E-05
800 690,627595 92074,47 282,8 1,09941 337,0891 1,70E-05 1,54E-05
900 682,329355 90968,15 282,15 1,088703 336,7015 1,69E-05 1,55E-05
1000 674,112028 89872,62 281,5 1,078075 336,3134 1,69E-05 1,57E-05
1100 665,975009 88787,79 280,85 1,067527 335,9249 1,69E-05 1,58E-05
1200 657,917696 87713,59 280,2 1,057058 335,5359 1,68E-05 1,59E-05
1300 649,939491 86649,93 279,55 1,046668 335,1465 1,68E-05 1,60E-05
1400 642,039798 85596,75 278,9 1,036356 334,7567 1,68E-05 1,62E-05
1500 634,218024 84553,95 278,25 1,026121 334,3663 1,67E-05 1,63E-05
1600 626,473582 83521,46 277,6 1,015965 333,9756 1,67E-05 1,64E-05
1700 618,805884 82499,2 276,95 1,005885 333,5843 1,67E-05 1,66E-05
1800 611,214347 81487,1 276,3 0,995882 333,1926 1,66E-05 1,67E-05
1900 603,698392 80485,07 275,65 0,985956 332,8005 1,66E-05 1,68E-05
2000 596,257441 79493,04 275 0,976105 332,4079 1,66E-05 1,70E-05
2500 560,157776 74680,23 271,75 0,927975 330,4378 1,64E-05 1,77E-05
3000 525,848432 70106,11 268,5 0,881681 328,4559 1,63E-05 1,84E-05
3500 493,260691 65761,52 265,25 0,837175 326,462 1,61E-05 1,92E-05
4000 462,32768 61637,53 262 0,794409 324,4559 1,59E-05 2,01E-05
4500 432,984351 57725,47 258,75 0,753333 322,4372 1,58E-05 2,09E-05
5000 405,167445 54016,92 255,5 0,713903 320,4058 1,56E-05 2,19E-05
5500 378,815472 50503,68 252,25 0,67607 318,3615 1,54E-05 2,28E-05
6000 353,868676 47177,77 249 0,639791 316,304 1,53E-05 2,39E-05
6500 330,269014 44031,46 245,75 0,60502 314,233 1,51E-05 2,50E-05

 

 

 

 

 

Как видно из таблицы, в стандартной атмосфере плотность воздуха принята равной на уровне моря 0,1250, падение температуры на каждые 100 м  0,65° при температуре у земли 15° (что соответствует среднему летнему состоянию для наших широт) и т. д. Из таблицы же видно, что плотность воздуха на высоте 6000 м почти в два раза меньше, чем у поверхности земли на уровне моря.

В неподвижной атмосфере давление воздуха зависит от высоты над уровнем моря и температуры. Однако, чаще всего наблюдается неустойчивое состояние атмосферы, при котором воздух находится в движении. В этом случае изменяется давление, а с ним и удельный вес и плотность воздуха, причем изменение давления зависит от скорости и кривизны пути движения воздушных масс. Если воздух движется прямолинейно, то давление в движущихся массах будет зависеть от скорости этого движения: чем больше скорость, тем ниже давление, и наоборот, с уменьшением скорости давление увеличивается. В том же случае, когда массы воздуха движутся «криволинейно», давление изменяется еще и под действием центробежной силы. 

Так, например, если воздух движется по выпуклой поверхности, — давление в его среде уменьшается, если же он движется по вогнутой поверхности, — давление увеличивается.

Как уже говорилось воздух в нижних слоях атмосферы у поверхности земли никогда не находится в состоянии покоя, а всегда движется. При этом передвижение воздушных масс происходит как в горизонтальном направлении, так и в вертикальном. Горизонтальное перемещение воздуха известно нам под наименованием ветра.

Атмосферный воздух приходит в движение и образует ветер в том случае, когда между двумя точками земной поверхности имеется разность атмосферных давлений, причем ветер всегда направлен из района повышенного давления в район с пониженным давлением; чем больше разность давлений, тем сильнее ветер. Наименьшую скорость имеет ветер у поверхности земли, где в очень редких случаях наблюдаются скорости порядка 30 —50 м/сек. С увеличением высоты скорость ветра обычно возрастает, и часто, когда у земли полнейший покой, на высоте дует довольно сильный ветер. При этом здесь ветры всегда более ровные и постоянные, чем у поверхности земли, где вследствие трения воздушного потока о неровности почвы и торможения его различными препятствиями образуются вихри и различные неровные течения воздуха.

 Вертикальные перемещения воздушных масс, т. е. восходящие и нисходящие течения воздуха, обусловлены неравномерным нагревом земной поверхности и ее неровностями, отражающими в вертикальном направлении массы горизонтально движущегося воздуха. Скорость этих вертикальных воздушных течений редко превышает 4—5 м/сек.

 

 

 

 

Монографии    Книги    Журналы

Author: aviatik

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *