повітряний океан
повітряний океан
Повітряний океан простягається над землею на величезну висоту. У поверхні землі (на рівні моря) тиск і щільність повітря досягають найбільшого значення. З висотою тиск і щільність повітря зменшуються і на висоті 800 - 1300 км атмосфера поступово, непомітно переходить в дуже розріджене міжпланетний газ, щільність якого вкрай незначна і становить усього кілька десятків молекул на 1 см 3.
Щільність повітря в русі тіла відіграє значну роль, а саме: чим більше щільність повітря, тим більше величина впливу повітря на рухоме тіло.
У аеродинаміці прийнято розрізняти вагову і масову щільності.
Вагова щільність є вага одиниці об'єму повітря.
Масова щільність - це маса повітря, що знаходиться в одиниці об'єму 1. Наскільки швидко падає щільність з висотою, видно з того, що на висоті 5 км щільність менше, ніж у землі в 1,6 рази, на висоті 20 км - менше, ніж у землі, в 15,6 рази. Через зменшення щільності опір будь-якого тіла на висоті менше, [1] ніж у землі. Так, ракета, що летить на висоті 12 км, де щільність в 4 рази менше, ніж на рівні моря, буде відчувати в 4 рази менший опір, ніж у землі, а на висоті 32 км опір зменшиться в 100 разів. Звідси видно, як вигідно літати на більших висотах.
Повітря, як будь-яке газоподібне тіло, володіє незначними силами взаємодії між молекулами, багато меншими, ніж сили взаємодії молекул рідких тіл.
Молекули повітря завжди знаходяться в безперервному хаотичному русі. Тиск газу прийнято розглядати як сумарне дію ударів рухомих молекул об перешкоду. Швидкість руху молекул і число ударів об перешкоду залежать від температури газу і кількості молекул в одиниці об'єму газу. У техніці тиск вимірюють в кіло-грамах-сили на 1 кв. см (кг / см 2). Тиск в 1 кг / см 2 називається технічною атмосферою і позначається 1 ат. У фізиці за тиск в 1 атмосферу (фізична атмосфера позначається атм) приймається тиск повітря на рівні моря, що дорівнює тиску стовпа повітря заввишки у всю товщу атмосферної оболонки. Тиск такого стовпа врівноважується тиском стовпа ртуті висотою 760 мм при 0 ° С (рис. 1).
Прилади для вимірювання тиску називаються манометрами. Манометри, що вимірюють тільки атмосферний тиск, називаються барометрами.
Мал. 1. Тиск атмосфери врівноважується стовпом ртуті висотою 760 мм.
Як частинки води у дна океану відчувають тиск, більше, ніж у верхніх шарах, так і частки повітря в «повітряному океані» у поверхні землі схильні до більшого тиску, ніж частки в верхніх шарах. Нижні шари атмосфери стиснуті вагою всього повітря, розташованого над ними.
Для практичних цілей можна прийняти, що в нижніх шарах тропосфери на кожні 100 м висоти тиск зменшується на 0,01 атм.
Властивості атмосфери на одній і тій же висоті не залишаються постійними. Тиск повітря у землі в наших широтах може коливатися приблизно від 730 мм рт. ст. до 780 мм рт. ст. а температура від -45 ° до + 35 ° С. Змінюється щільність повітря, а з нею і аеродинамічні сили, що діють на тіло. Через це результати випробувань одних і тих же літаків або моделей, вироблених в різний час і в різних місцях, будуть сильно відрізнятися один від одного. Тому для зручності аеродинамічних розрахунків і для можливості порівняння результатів випробувань домовилися вважати, що для даної висоти тиск, температура, щільність і швидкість поширення звуку залишаються постійними, незалежними від часу і місця проведення випробування. Відповідно до цього була вироблена таблиця Міжнародної стандартної атмосфери (MCA), в якій тиск, температура, щільність повітря, швидкість звуку, хоча і штучні, але все ж залишаються близькими до осредненним даними, відповідним річному станом атмосфери середніх широт. По таблиці MCA на рівні моря прийнято: тиск 760 мм пунктів. ст. температура t = 15 ° C. щільність швидкість поширення звуку 341 м / сек.
Зміна цих величин по висот видно з наведеної нижче скороченою таблиці MCA.
Атмосфера ділиться на тропосферу, стратосферу і іоносферу. Нижній шар атмосфери в помірних широтах до висоти в середньому 9 - 11 км називається тропосферою - в ній велика велика кількість хмар, вітрів і гроз. Там відбуваються все метеорологічні явища - це кузня погоди. Температура і тиск в тропосфері в міру віддалення від землі падають. Та частина атмосфери, яка розташована над тропосферою і піднімається до висоти близько 80 год-90 км, називається стратосферой.
Температура в ній на висоті 11--30 км близько мінус 50 - 60 °, на висоті 30 - 55 км підвищується, досягаючи плюс 40 - 50 ° С, а потім знову знижується і в верхніх шарах стратосфери доходить до мінус 70 -80 ° С . у стратосфері водяні пари присутні в зовсім незначних кількостях. Зрідка в ній з'являються хмари. У стратосфері спостерігаються сильні вітри. Верхні шари атмосфери, починаючи приблизно з висоти 80 - 90 км і до висоти 800 - 1300 км називаються іоносферою. У цьому шарі газ іонізований.
Тропосфера і нижні шари стратосфери достатньо вивчені, особливо радянськими аеронавта і метеорологами. Всім відомі героїчні польоти радянських стратостатів «СРСР» в 1933 р на висоту 19 км, «Осоавиахим-1» в 1934 р на висоту 22 км; польоти радіозондов конструкції проф. Молчанова на висоту 40-42 км з автоматично апаратурою.
Останнім часом сильно зріс інтерес до іоносфери, куди починають проникати сучасні ракети дальньої дії і штучні супутники Землі.
Для дослідження високих шарів атмосфери вдаються до різних методів. До них відносяться польоти метеорологічних ракет, спостереження за «падаючими зірками» -метеорамі (130 - 80 км) і полярними сяйвами, палахкотливими іноді на висотах до 1000-1200 км і радіофізичні методи.
[1] Очевидно, вагова і масова щільність це не що інше, як питома вага і щільність речовини, виражені в технічній системі одиниць. Надалі всі розрахунки і висновки, наведені в книзі, будуть також даватися в технічній системі одиниць (м-кг-сек).