Динамическое взаимодействие тела пловца с водой зависит от скорости движения тела относительно воды. Для теоретического анализа безразлично, тело ли движется с некоторой скоростью относительно покоящейся жидкости или неподвижное тело обтекается потоком воды с той же скоростью — принцип обращения движения.
Взаимодействие тела с потоком воды обусловлено наличием сил внутреннего трения и давления. Силы трения F направлены по касательной к поверхности тела, силы давления Р — перпендикулярно к ней.
При движении тела в воде распределение давления отличается от его распределений в покоящейся жидкости. В потоке возникают области повышенного и пониженного давлений. Область- повышенного давления образуется, как правило, на той части тела, на которую направлен поток.
Воображаемые линии внутри потока, вдоль которых происходит движение жидкости, называют линиями тока. Они как
бы разбивают жидкость на отдельные струйки, которые текут рядом не смешиваясь. Такую отдельную струйку называют трубкой тока ).
За один и тот же интервал времени через произвольно взятые сечения струйки Si и S2 проходит одинаковая масса воды:
Pi* Vi*Si= р2 * V2*S2.
где pi и р2 — плотность воды в сечениях Si и S2, a Vi и V2 — скорость потока в тех же сечениях.
Поскольку вода сжимается незначительно, можно считать, что р1«рг. Отсюда уравнение имеет вид:
Vi*Si= = V2-S2.
Это выражение называют уравнением неразрывности струи. Из него следует, что скорость потока изменяется обратно пропорционально изменению площади его сечения. Там, где линии тока суживаются, скорость потока возрастает и наоборот.
Если в поток воды опустить манометр и повернуть его мембрану параллельно потоку или позволить мембране двигаться вместе с потоком с той же скоростью, то манометр покажет величину статического давления воды. Это давление можно представить как давление потока воды на поверхность, вдоль которой он движется.
Показания неподвижного манометра, мембрана которого поставлена перпендикулярно и навстречу потоку, называют полным давлением воды. Разность между полным давлением и статическим составляет величину так называемого динамического напора, который обусловлен движением жидкости и проявляется при ее торможении или при ее разгоне. Там, где линии тока суживаются, скорость движения струи увеличивается, динамический напор возрастает и одновременно снижается статическое давление. И напротив, там, где линии тока расширяются, скорость движения и динамический напор струи падают и статическое давление повышается. Полное давление в любом сечении каждой отдельной струи потока воды остается постоянным.
Зависимость между скоростью потока и давлением в нем, известная как закон Бернулли, помогает анализировать явления, связанные с движением тел в воде.
Рассмотрим характер симметричного обтекания тела потоком жидкости. Перед телом поток воды замедляется. В точке А поток разветвляется и его скорость уменьшается до нуля, а давление Р возрастает. В обе стороны от точки А к точкам В и В1 скорость потока вновь увеличивается, а давление уменьшается.
Постепенно частицы пограничного слоя воды благодаря трению теряют свою скорость и, не достигнув точки Д, начинают возвратное движение. Почти около точек С и С\ прямое и обратное течения сталкиваются, поток отрывается от поверхности тела, позади тела образуется область беспорядочного вихревого движения воды и давление здесь падает. Равнодействующая сил давления воды на тело направлена по потоку назад и тормозит движение тела.
Поскольку вода обладает вязкостью, то вокруг движущегося тела образуется так называемый пограничный слой, т. е. слой воды, который движется как бы вместе с телом. Скорость течения воды около тела быстро возрастает от нуля на поверхности тела (здесь имеет место «прилипание» воды к телу) до полной скорости обтекающего потока воды. Вследствие этого возникают силы внутреннего трения F (см. рис. 6). Они приложены по касательной к поверхности тела и также тянут его по потоку назад.
Как видим, сила R, с которой вода действует на движущееся в ней тело, складывается из сил трения и сил давления. Называют ее силой реакции воды.
Сила, скорость и ускорение есть векторные величины. Они всегда действуют в определенном направлении. Графически вектор изображается прямолинейным отрезком, длина которого в выбранном масштабе соответствует численному значению вектора, а направление действия указывается стрелкой на конце отрезка.
Вектор силы реакции воды R в общем случае направлен под углом к направлению движения тела. Его можно представить в виде суммы двух других векторов, т. е. разложить на составляющие. Направление действия составляющих выбирают заранее. Обычно вектор R, применяя правило параллелограмма, раскладывают по двум направлениям: по потоку воды и перпендикулярно к нему (см. рис. 8). В этом случае одна из составляющих Rx, направленная параллельно потоку, называется силой лобового сопротивления. Другая составляющая Rv, — направленная перпендикулярно к потоку, называется подъемной силой.
Ориентацию тела в потоке характеризуют углом атаки. Это острый угол а между продольной осью тела и направлением движения.
С увеличением угла атаки коэффициент лобового сопротивления непрерывно повышается и достигает максимума, когда тело занимает положение, перпендикулярное к потоку воды (а=90°). Отклонение рабочей плоскости на 15—20° от перпендикулярного положения не оказывает существенного влияния на величину коэффициента.
Величина коэффициента подъемной силы также зависит от формы и профиля тела, угла атаки и других факторов. Величина коэффициента резко возрастает при изменении угла атаки от нуля до 18—20°. С дальнейшим увеличением угла атаки величина коэффициента резко падает. При угле атаки 90° она становится равной нулю.
Теоретически вычислить коэффициенты Сх и Су трудно. Поэтому их находят опытным путем для тел различных размеров, формы и профиля.
Замена силы R двумя составляющими Rx и Ry является условной. В действительности имеется лишь одна сила — сила реакции воды. Направление ее действия приближается к перпендикуляру, опущенному на поверхность тела или рабочих звеньев пловца, взаимодействующих с потоком.