Существует много физических явлений и законов, открытых человеком совершенно случайно. Начиная с легендарного яблока, упавшего на голову Исаака Ньютона, и мирно принимавшего ванну Архимеда до новейших открытий в области создания новых материалов и биохимии. Эффект Коанды принадлежит к этому же ряду открытий. Как это ни странно, но его практическое применение в технике до сих пор все еще находится на самом начальном этапе. Итак, эффект Коанда - что это?
История открытия
Вам будет интересно:Кемеровская область: история образования, интересные факты, фото
Румынский инженер Анри Коанда во время проведения испытаний своего экспериментального летательного аппарата, снабженного реактивным двигателем, но имеющего деревянный корпус, во избежание воспламенения корпуса от реактивной струи, установил защитные металлические пластины по бокам от двигателей. Однако эффект от этого получился обратным от ожидаемого. Истекающие реактивные струи по непонятным причинам стали притягиваться к этим защитным пластинам и находившиеся в районе их размещения деревянные конструкции планера могли воспламениться. Испытания закончились аварией, но сам изобретатель не пострадал. Все это происходило в самом начале XX века.
Экспериментальная проверка
Эффект Коанда - это явление, которое можно проверить, не выходя из кухни. Если открыть воду в кране и поднести к струе воды плоскую пластину, то можно увидеть этот эффект воочию. Вода будет еле заметно отклоняться в сторону пластины. При этом, скорость потока воды может быть и не очень велика. В принципе, это явление наблюдается в любой среде: водной или воздушной. Главное – наличие потока среды и наличие поверхности, примыкающей с одной стороны к этому потоку.
Вам будет интересно:Виды рычагов в физике
Кстати, это явление имеет еще одно название – эффект чайника. Именно благодаря этому эффекту при наклоне чайника вода из него не попадает в чашку, а струится вниз по носику, заливая скатерть, а иногда и колени окружающих. Поскольку законы гидродинамики и аэродинамики в целом, за небольшими исключениями, практически тождественны, чтобы не повторяться, в дальнейшем эффект Коанды будет рассматриваться для воздушной среды.
Физика явления
Эффект Коанда основывается на возникающей разнице давлений в потоке при наличии ограничивающей этот поток стенки, препятствующей свободному доступу воздуха с одной из сторон. Любой поток воздуха состоит из слоев, имеющих различную скорость. При этом экспериментально доказано, что сила трения между слоем воздуха и примыкающей твердой поверхностью меньше, чем между отдельными слоями воздуха. Тем самым скорость слоя воздуха, проходящего вблизи от поверхности, оказывается выше скорости слоя воздуха, отдаленного от этой поверхности.
Более того, на достаточно большом удалении скорость одного из слоев воздуха относительно поверхности вообще будет равна нулю. Получается неоднородное поле скоростей по высоте потока. В соответствии с законами газодинамики здесь возникает поперечная разница в давлении, отклоняющая поток в сторону меньшего давления, то есть туда, где скорость слоя воздуха выше – в сторону ограничивающей стенки. Подбирая форму сопла и поверхности, экспериментируя с расстояниями и скоростью, можно изменять направление потока в достаточно широких диапазонах.
Математика
В течение очень долгого времени описываемое явление вообще не признавалось, несмотря на его очевидность и относительную легкость экспериментальной проверки. Затем возникла необходимость теоретических расчетов силы и вектора этой силы, то есть сделать расчет эффекта Коанда. Такие расчеты были сделаны для разного типа струй.
Выведенные формулы достаточно громоздки и представляют собой сочетание дифференциального исчисления с тригонометрией. Но эти сложные и многоступенчатые расчеты могут дать лишь приблизительный результат. Разумеется, все это считается не на бумаге, а с использованием современных алгоритмов, заложенных в вычислительные машины. Однако реальные значения можно получить исключительно экспериментальным путем. Слишком много факторов влияет на этот эффект, и не все из них могут быть описаны с использованием математических формул.
От чего зависит это явление
Если пропустить тщательный разбор формул, требующий незаурядной квалификации, сила эффекта Коанды зависит от скорости потока, соотношения диаметра потока и кривизны стенки. Эксперименты показали, что огромное значение имеет расположение и диаметр сопла, шероховатость поверхности стенки, расстояние между потоком и ограничивающей его стенкой, а также от формы самой стенки. Также отмечено, что эффект Коанда более выражен в турбулентном потоке.
Что еще придумал первооткрыватель
После открытия явления А. Коанда занялся его разработкой и поиском практического применения. Результатом его усилий стал патент на изобретение летающего зонта. Если в центре полусферы, похожей на зонт, установить сопла, выбрасывающие поток газов, то в соответствии с эффектом Коанда, этот поток будет прижиматься к поверхности полусферы и истекать вниз, создавая область пониженного давления над зонтом, толкая его вверх. Сам изобретатель называл это крылом самолета, свернутым в кольцо.
Попытки практической реализации этого изобретения успехом не увенчались. Причина – неустойчивость аппарата в воздухе. Однако, последние достижения в области интеллектуального управления неустойчивыми конструкциями в воздухе, так называемый принцип Fly by Wire, дает надежду на появление этого экзотического летательного аппарата.
Что удалось реализовать
Хотя зонт изобретателя поднять в воздух так и не удалось, эффект Коанда в авиации применяется, но, условно говоря, на второстепенных направлениях. Из наиболее выдающихся примеров можно привести, разработанный в 40-х годах вертолет без хвостового винта, функции которого по компенсации вращения несущего винта, выполняли установленные в задней части вентилятор и сопла со специальными направляющими. Эта же система позволяла управлять вертолетом по рысканью и тангажу. Это было применено на вертолетах MD 520N, MD 600N и MD Explorer.
На самолетах эффект Коанда - это, прежде всего, увеличение подъемной силы путем дополнительного обдува от двигателя верхней поверхности крыла, дающее максимальный эффект при выпущенной механизации, то есть когда крыло имеет максимально «выпуклый» профиль, позволяющий потоку уходить почти отвесно вниз. Это реализовано на советских самолетах Ан-72, Ан-74, а также Ан-70. Все эти машины обладают улучшенными взлетно-посадочными характеристиками, позволяющими использовать короткие полосы для взлета и посадки.
Из американской техники можно назвать "Боинг С-7", использующий тот же принцип, а также ряд экспериментальных машин. В послевоенный период было сделано много попыток создать летательный аппарат на принципах эффекта Коанда. Все они имели форму летающей тарелки, и все они, по истечении определенного времени, были закрыты из-за технических сложностей. Возможно, эти работы в строго охраняемой форме ведутся и в настоящее время.
С небес на землю и под воду
Для увеличения сцепления колес с треком эффект Коанда начал использоваться и в конструкциях болидов "Формулы-1". Машины оборудованы диффузорами и обтекателями, к которым прижимается поток выхлопных газов, обеспечивая нужный эффект. На картинке выше показано движение выхлопных газов, прилипающих к обводам, несмотря на то, что сама выхлопная труба смотрит вверх.
Помимо наземного транспорта, проводились и проводятся экспериментальные работы, связанные с использованием этого явления на подводных судах. В частности, в Санкт-Петербурге создан достаточно экзотический подводный велосипед, почему-то названный по-английски - Blue Space, в переводе «голубой космос». То, что он использует для передвижения, – это эффект Коанда. В передней части «подводного велосипеда» установлены обтекатели, в которые вмонтированы гребные ролики, всасывающие воду через специальные щели. Затем вода выталкивается на поверхность корпуса машины, создавая тягу на ее поверхности. Вода обтекает весь корпус, вновь всасываясь в щель на корме, выталкивается наружу.