Air sport russia - щільність висоти

Зміна щільності повітря в залежності від висоти

Давайте поговоримо про «Густині висоти».

Більшість пілотів аерошютов не мають абсолютно ніякого уявлення про зміну щільності повітря зі зміною висоти або щось чули і мають саме віддалене уявлення про те, що це таке і як щільність повітря впливає на будь-який літальний апарат, який залишає землю.

Абсолютно на всі повітряні судна, починаючи з маленьких парамоторов і закінчуючи величезними трансконтинентальними лайнерами, абсолютно на все поширюється вплив зміни щільності повітря в залежності від висоти.

Саме поняття «щільності висоти» являє собою графік зміни температури, тиску і щільності повітря в залежності від висоти. Всі ці значення сильно залежать від конкретних умов погоди. Однак, для розрахунків можна використовувати значення для стандартної атмосфери (атмосфери наведеної до стандартних умов). Розрахувати можна якась підйомна сила буде діяти на крило, скільки знадобиться кінських сил для польоту на різних висотах, яка тяга двигунів знадобиться щоб літальний апарат летів і міг долати опір повітря.

стандартна атмосфера

Міжнародна стандартна атмосфера (МСА) - гіпотетичне вертикальний розподіл температури, тиску і щільності повітря в атмосфері Землі, яке за міжнародною угодою являє середньорічне і среднеширотной стан. Складання перших МСА відносяться до 20-м рр. XX ст. У наступні роки в зв'язку з ростом діапазонів швидкостей і висот польотів поряд з основними термодинамічними параметрами в МСА стали вказувати значення швидкості звуку, прискорення вільного падіння, молярної маси повітря, в'язкості, довжини пробігу молекул і інших параметрів. Мета створення МСА - уніфікація вихідних значень параметрів атмосфери, використовуваних при розрахунках і проектуванні авіаційної техніки, обробці результатів геофізичних і метеорологічних спостережень і для приведення результатів випробувань літальних апаратів та їх елементів до однакових умов. Основою для розрахунку параметрів МСА служать рівняння статики атмосфери і стану ідеального газу.

У ряді країн з урахуванням МСА створюються національні стандартні атмосфери. Так, ГОСТ «Атмосфера стандартна», відповідний міжнародним стандартом, встановлює середні числові значення осі, параметрів атмосфери для висот до 1200 км, для широти 45 ° 32'33 ", відповідні середнього рівня сонячної активності.

Отже, пілотам необхідно застосовувати свої теоретичні знання про значення підйомної сили, потужності і силі тяги двигуна, щоб робити розрахунок різниці між значеннями стандартної атмосфери і реальними значеннями в конкретний момент часу і для конкретного місця.

Пілоти повинні вміти коригувати теоретичні значення підйомної сили, потужності і тяги двигунів з урахуванням різниці значень між стандартною атмосферою і реальної атмосферою в кожне конкретне час і в кожному конкретному місці. Пілоти використовують діаграми або авіаційні комп'ютери щоб з упевненістю сказати, що реальна атмосфера, на певний час, має щільність стандартної атмосфери на певній висоті, яка може відрізнятися від дійсної висоти. Або це означає, що літальний апарат може знаходитися зовсім не на тій висоті, на якій повинен. Особливо це актуально для польотів в горах.

Значення параметрів взяті з ГОСТ 4401-81. "Атмосфера стандартна", що відповідає міжнародному стандарту ІСО 2533; геометрична висота H відраховується від середнього рівня моря; PС, (?) с - відповідно значення тиску і щільності на середньому рівні моря (H = 0);

Як це працює: подивіться на нашу таблицю стандартної атмосфери вище. Уявіть собі, що у вас є якийсь пристрій, який безпосередньо вимірює тиск повітря. Зазвичай, все пріборивисотомери працюють від тиску. Уявіть собі, що цей пристрій говорить вам, тиск повітря - 353.8 мм ртутного стовпа. Ви знаходите цю цифру в таблиці і бачите, що ця цифра відповідає тиску повітря на висоті 6000 метрів в стандартній атмосфері. Ми могли б сказати, що наш літальний апарат знаходиться на висоті 6000 метрів над рівнем моря. Однак, це значення висоти годиться тільки для стандартної атмосфери, і реальна висота може сильно відрізнятися.

Більшість діаграм щільності повітря і спеціальні калькулятори для обчислення атмосферного тиску відштовхуються в своїх обчисленнях від температури, але не від вологості. А між тим, вологе повітря менш щільний, ніж сухе повітря, що означає, що буде похибка в розрахунках у вологий день. Але вплив вологості не таким значним, як температури і тиску повітря. Ми розповімо нижче негативного впливу вологості, поряд з іншими факторами, які визначають щільність повітря.

Поняття щільності повітря

Простими словами, щільність - маса чого-небудь ув'язненого в якийсь обсяг, який він займає. Вчені зазвичай вимірюють щільність повітря в кілограмах на кубічний метр. На рівні моря кубічний метр абсолютно сухого повітря при температурі 0 градусів за Цельсієм буде важити 1.275 кг. Іншими словами щільність становить 1.275 кілограм на кубічний метр.

Щільність повітря залежить від температури, тиску і від кількості водяної пари, що знаходиться в цьому повітрі. Ми поговоримо поки про сухе повітря, це означає, що ми будемо розглядати тільки вплив температури і тиску.

Молекули азоту, кисню та інших газів, які складають повітря, рухаються хаотично з неймовірною швидкістю, стикаються один з одним і стикаються з усіма іншими об'єктами. Чим вище температура, тим швидше молекули рухаються. Як тільки повітря нагрівається, молекули прискорюються, а це означає, що вони стикаються швидше і сильніше зі своїм оточенням або, іншими словами, вони збільшують вплив на своє оточення. Якщо повітря укладений в повітряній кульці, нагрівання розширить повітряну кульку, так як швидкість молекул повітря усередині кульки зросте, охолодження повітряної кульки - зменшить його, так як молекули сповільняться. А якщо нагріте повітря нічого не обмежує (як у випадку з повітряною кулькою повітря, що знаходиться всередині кульки, обмежує оболонка кульки), крім навколишнього такого ж повітря, цей нагріте повітря буде штовхати навколишнє повітря в сторони. В результаті, коли повітря нагрівається, його кількість в кубічному метрі зменшується. Таким чином, у вільній атмосфері щільність повітря зменшується, коли повітря нагрівається.

Тиск надає протилежний вплив на повітря. Збільшення тиску збільшує щільність. Теж відбувається і при натисканні вниз ручки велосипедного насоса. Повітря стискається. Щільність зростає в міру збільшення тиску.

Висота над рівнем моря і погодні системи (циклони або антициклони) можуть змінити тиск повітря. Якщо ви починаєте зліт, тиск повітря знижується з набором висоти від, близько 1000 мбар на рівні моря до 500 мбар на висоті близько 5 500 метрів. На висоті ж в 30 500 метрів над рівнем моря тиск повітря складе всього лише близько 10 мбар. Погодні системи, які приносять підвищення або зниження атмосферного тиску також впливають на щільність повітря, але вони впливають не так помітно як зміна висоти, але теж вносять свій внесок.

Ми бачимо, що щільність повітря найнижча на висоті в жаркий день, коли атмосферний тиск низький. Щільність повітря висока на низьких висотах, коли високо тиск і низька температура, наприклад в холодний зимовий сонячний день.

Вологість і щільність повітря

Більшості людей, які не вивчали шкільний курс фізики і хімії або вже забули про це, важко повірити, що вологе повітря легше чи легкі, ніж сухе повітря. Як повітря може бути легше, якщо ми додамо до нього парів води?

Вчені знали про це давно. Першим був Ісаак Ньютон, який заявив, що вологе повітря менш щільний, ніж сухе повітря. Було це в 1717 році в його книзі «Оптика». Але інші вчені не приймали цей постулат аж до кінця 18 століття.

Щоб побачити, чому вологе повітря менш щільний, ніж сухе повітря, нам потрібно звернутися до одного із законів природи. Італійський фізик Амадео Авогадро на початку XIX століття виявив, що фіксований обсяг газу, скажімо, один кубічний метр, при однаковій температурі і тиску, завжди має сталу кількість молекул, незалежно від того, який газ знаходиться в контейнері. Більшість книг з основ хімії пояснюють, як це працює. Пам'ятайте термін «число Авогадро»? Так ось це саме про це.

Уявіть собі кубічний метр прекрасного сухого повітря. Він містить близько 78% молекул азоту, кожен з яких мають атомний вага 28. Ще 21% повітря займають молекули кисню, кожна молекула якого має атомний вага 32. Що залишився один відсоток являє собою суміш інших газів, які ми не беремо до уваги. Молекули можуть вільно вийти з нашого кубічного метра повітря. Те, що виявив Авогадро призводить нас до висновку про те, що, якщо ми додали молекули водяної пари в наш кубічний метр повітря, то деякі з молекул азоту і кисню покинуть його (пам'ятаєте про те, що загальне число молекул в нашому кубічному метрі повітря залишається постійним?). Молекули води, які заміщають молекули азоту і кисню, мають атомний вага 18. Це легше, ніж молекули азоту і кисню. Іншими словами, замінивши молекули азоту і кисню на молекули водяної пари ми зменшуємо вагу повітря в кубічному метрі; тобто щільність зменшується.

Зачекайте хвилину, але ж можна сказати, "Я ж знаю, що вода важче, ніж повітря". Дійсно, рідка вода важче і щільніше, ніж повітря. Але вода, у вологому повітрі не рідина. Це водяні пари, які є газом, а вже він то, як раз і легше, ніж азот або кисень.

Вологість повітря має менший вплив на щільність повітря в порівнянні з температурою і тиском. Однак, потрібно пам'ятати, що вологе повітря менш щільний ніж сухе повітря при тих же температурі і тиску.

Ефекти щільності повітря

Більш щільний, або "важкий" повітря буде сильніше сповільнювати об'єкти, що переміщаються через нього, тому що об'єкту необхідно, по суті, долати опір більшого числа молекул. Таке опір повітря зростає з ростом щільності повітря. Дуже багато хто використовує цей ефект. Наприклад, бейсболісти з США люблять грати в Денвері (1500 метрів над рівнем моря), тому що м'яч летить на багато далі, ніж на інших рівнинних майданчиках на рівні моря. Або, наприклад, ковзанярі на високогірному катку «Медео» показують велику швидкість на дистанції через меншу щільність повітря.

А ось пілотам літальних апаратів навпаки, на відміну від бейсболістів і ковзанярів, зниження щільності повітря не до вподоби. Більш низька щільність повітря загрожує пілотам трьома проблемами: зниження підйомної сили на крилах літака або роторі вертольота або куполі аерошюта, зниження потужності двигуна і зниження тяги повітряного гвинта, ротора або реактивних двигунів. Ці втрати льотних характеристик більш ніж компенсуються зниженням опору на літальному апараті в менш щільному повітрі.

Пілоти використовують діаграми або спеціальні калькулятори, щоб дізнатися вплив температури і повітряного тиску в конкретний час і в конкретному місці на щільність повітря і звідси вже на льотні характеристики літального апарату. В цілому, ці розрахунки не беруть до уваги вологість, оскільки її вплив набагато менше. При низькій щільності повітря потрібно більше місця на злітно-посадочних смугах на зліт і посадку, і набір висоти відбувається не так інтенсивно, як при високій щільності повітря.

Упевнений, прямо зараз, ви задаєте собі питання: "що з усім цим робити і як це може бути застосовано для польотів на аерошютах?" Відповідь полягає в тому, що все це в рівній мірі відноситься і до аерошютам теж.

Чи потрібно вам обчислювати щільність повітря перед кожним польотом на аерошюте? НІ. Але ви повинні усвідомлювати впливу щільності повітря на льотні характеристики вашого аерошюта!

pdf Версія для друку (214 KB)