Александр Китайгородский - Физика для всех. Движение. Теплота
Схема ударной волны, создаваемой снарядом закругленной формы, показана на рис. 129. Фронт волны – это кривая поверхность, проходящая несколько впереди движущегося тела. По мере удаления от линии движения фронт отстает от снаряда и удаляется.
Несколько иначе выглядит картина ударной волны у заостренного тела, имеющего хорошо знакомую каждому форму снаряда. Рис. 130 показывает, что ударная волна «села на нос» снаряда; фронт волны приобрел конусообразную форму.
Снаряд, летящий со сверхзвуковой скоростью, можно сфотографировать. Резкое различие плотностей воздуха вокруг снаряда отчетливо обрисовывает фронт ударной волны, порождаемой им. Чем быстрее движется снаряд, тем острее конус.
Ударная волна является основным источником сопротивления, испытываемым телом, движущимся со сверхзвуковой скоростью. А при скоростях движения, которые меньше скорости звука, сопротивление создается, как мы говорили, в основном возникновением турбулентного движения. Поэтому наиболее выгодные формы тела для движений этих двух типов различны. Что выгодно для быстрых движений, то невыгодно для более медленных, и наоборот.
Тело, заостренное впереди, способствует турбулентности и, значит, увеличивает сопротивление движению с дозвуковыми скоростями. Напротив, заостренная форма снаряда уменьшает сопротивление ударной волны.
Тупое впереди тело уменьшает турбулентность и потому более выгодно при дозвуковых скоростях, чем заостренное. При переходе через звуковой барьер эта форма становится менее выгодной, так как основным источником сопротивления становится ударная волна. По этой причине снаряды орудий заострены спереди – ведь они движутся со сверхзвуковыми скоростями.
Ликвидировать ударную волну и вместе с ней основной источник сопротивления тела, рассекающего воздух со сверхзвуковой скоростью, к сожалению, невозможно. Задача конструкторов снарядов и самолетов состоит в том, чтобы ослабить сопротивление, создаваемое ударной волной.
Для снарядов и корпуса самолета уменьшение сопротивления достигается заострением формы. А какую идею можно предложить для крыльев? Сверхскоростные самолеты приобрели за последнее десятилетие новые очертания: крылья прижались к корпусу, самолет приобрел стреловидную форму. Сделано это именно для того, чтобы бороться с сопротивлением ударных волн (рис. 131).
Вместо того чтобы обсуждать движение самолета, рассекающего воздух, можно говорить о потоке воздуха, набегающем на самолет. Это ведь одно и то же.
На рис. 131 изображен самолет, крыло которого стоит косо к потоку. Векторную скорость воздуха у крыла можно разложить на два вектора, направив один из них вдоль, а другой поперек крыла. Вдоль длины крыла воздух скользит свободно, и это продольное скользящее движение не может явиться существенным источником сопротивления. Основное сопротивление крыло будет испытывать от движения воздуха поперек крыла. Но ведь поперечная составляющая скорости, с которой воздух движется навстречу крылу, может быть существенно меньше лобовой скорости. Может случиться даже, что при движении самолета со сверхзвуковой скоростью поперечная скорость воздуха по отношению к его крыльям будет ниже звукового барьера. Это уменьшение поперечной скорости приведет к ослаблению ударных волн и уменьшению сопротивления. Вот почему сверхскоростным самолетам и придают стреловидную форму.
Впрочем, перед конструкторами самолетов стоит нелегкая задача – найти компромисс между формами, удобными для сверхзвуковых и для обычных скоростей. Такой компромисс необходим по простой причине – самолет взлетает и садится при относительно небольших скоростях.
В настоящее время имеются реактивные самолеты, летающие со скоростью многих тысяч километров в час, и конструкторы продолжают свою работу, чтобы завоевать еще более высокие скорости. Новые трудности встают на этом пути. Преодолев звуковой барьер, инженеры встретились с тепловым барьером.
Быстро движущийся самолет или снаряд сжимают находящийся перед ними воздух. Сжатие приводит к повышению температуры. Воздух, рассекаемый движущимся телом, нагревается, а значит, нагреваются и стенки самолета.
Повышение температуры оказывается пропорциональным квадрату скорости воздуха. Чем больше скорость, тем больше нагревается воздух. К моменту достижения звукового барьера температура воздуха перед самолетом повышается всего на 60°. Это еще не имеет большого практического значения. Но при скорости движения самолета, в два раза превышающей скорость звука, воздух нагревается уже на 240°, а при достижении утроенной скорости звука воздух получает температуру порядка 820 °C и т.д. Нетрудно понять, что этот нагрев ведет к значительным технологическим осложнениям.
Из приведенных цифр видно, как быстро увеличивается температура при нарастании скорости движения. При движении со скоростями порядка 10 км/с температуры становятся столь значительными, что любое тело плавится и превращается в газ. Из мирового пространства в атмосферу Земли непрерывно падают метеорные тела – камни и камешки различных размеров. Они движутся со скоростями в несколько десятков километров в секунду. На высоте 150–200 км над поверхностью Земли, когда атмосфера становится менее разреженной, эти пришельцы начинают заметно нагреваться, а на высотах порядка 130–60 км температура их возрастает настолько, что они испаряются. Невооруженным глазом мы замечаем накалившийся камешек на ночном небе. В момент, когда мы его увидели, нам кажется, что звезда упала с неба. «Падение звезды» продолжается недолго: доля секунды – и камешек испарился.
Горение и взрыв
Для того чтобы началось горение, надо, как известно, поднести к горючему предмету горящую спичку. Но и спичка не зажигается сама, ею надо чиркнуть о коробку. Таким образом, для того чтобы началась такая химическая реакция, необходимо предварительное нагревание.
Причина этого понятна. Химическая реакция – это перестройка молекулы. Энергичное тепловое движение атомов совершенно необходимо для того, чтобы такая перестройка могла произойти. Поэтому скорости химических реакций очень сильно зависят от температуры. Как правило, повышение температуры на 10° увеличивает скорость реакции в 2–4 раза.
Если скорость реакции увеличивается, скажем, в 3 раза при повышении температуры на 10°, то повышение температуры на 100° дает увеличение в 310 ≈ 60000 раз, на 200° – уже в 320 ≈ 4·109, а на 500° – в 350, т.е. примерно в 1024 раз.
Неудивительно, что реакция, которая идет с нормальной скоростью при температуре 500 °C, при комнатной температура не происходит вообще. Поджигание создает в начальный момент необходимую для реакции температуру. Дальше высокую температуру поддерживает уже тепло, которое выделяется при реакции.
Начальный местный подогрев должен быть достаточен для того, чтобы выделение тепла при реакции превышало теплоотдачу в окружающую холодную среду. Поэтому каждая реакция имеет свою, как говорят, температуру воспламенения. Горение начинается, только если начальная температура выше температуры воспламенения. Например, температура воспламенения дерева 610 °C, бензина – около 200 °C, белого фосфора – 50 °C.
Горение дров, угля или нефти – это химическая реакция соединения этих веществ с кислородом воздуха. Поэтому такая реакция идет с поверхности: пока не выгорит внешний слой, следующий не может принять участие в горении. Этим и объясняется относительная медленность горения.
В справедливости сказанного нетрудно убедиться на практике. Если размельчать горючее, то скорость горения можно значительно увеличить. Для этой цели во многих печных устройствах производится распыление угля в топках.
Совершенно иначе обстоит дело в том случае, когда воздушная атмосфера не нужна, а все необходимое для реакции содержится внутри вещества. Примером такого вещества является смесь водорода с кислородом (ее называют гремучим газом). Реакция идет не с поверхности, а происходит внутри вещества. В отличие от случая горения вся энергия, образующаяся при реакции, отдается почти мгновенно, вследствие этого резко повышается давление и происходит взрыв. Гремучий газ не горит, а взрывается.
Итак, взрывчатое вещество должно содержать внутри себя атомы или молекулы, нужные для реакции. Понятно, что можно приготовить взрывающиеся газовые смеси. Существуют и твердые взрывчатые вещества. Они являются взрывчатыми именно потому, что в их состав входят все атомы, необходимые для химической реакции, дающей тепло и свет.
Химическая реакция, происходящая при взрыве, – это реакция распада, расщепления молекулы на части. На рис. 132 показана для примера взрывная реакция – расщепление на части молекулы нитроглицерина. Как видно на правой части схемы, из исходной молекулы образуются молекулы углекислого газа, воды, азота. В составе продуктов реакции мы находим обычные продукты горения, но горение произошло без участия молекул кислорода воздуха – все необходимые для горения атомы содержатся внутри молекулы нитроглицерина.
