Квант
Основные статьи

Элементарная теория полёта и волн на воде

Эйнштейн А.

35

посмотреть, как Альберт Эйнштейн — великий ученый, создатель теории относительной объяснения, открыта, открыта берется подъемная сила крыльев самолетов и птиц.

Публикуемая статья взята из сборника научных трудов А. Эйнштейна, изданного «Наукой» в 1967 году (т. 4, стр. 22). Свою работу Эйнштейн написал в 1916 году. Он не был знаком с трудами Н. Е. Жуковского, который еще в 1910 году создал теории полета аппаратов тяжелее воздуха.

Откуда берется подъемная сила крыла наших самолетов и птиц, паряших в воздухе? В этих вопросах парит полная неясность. Должен признаться, что и в специальной литературе я не мог найти на них даже простейшего ответа. Я надеюсь поэтому, что читатель достаточно овольствие, если я попытался воспользоваться этот пробел с помощью следующих несложных рассмотрений из теории движения жидкости.

Несжимаемая жидкость, внутренним тренем которого мы будем пренебрегать, чечет по существующей трубе (рис. 1) в направлении, указанном стрелками. На础дет интересовать распределение давления в трубе. Так как через каждое сечение в единицу времени должно протекать одно и то же количество жидкости, скорость течение vv будет наиболее там, где площадь сечения минимальная, и наименьшей там, где площадь сечения максимальная. Поэтому на рисунке 1 скорость части жидкости наименьшая в точке LL и непрерывно возрастает по направлению к RR. Причиной, вызывающей такое ускорение части жидкости, является не что иное, как действующего на них сила давления. Рассмотрим частицу FF жидкости, занимающего цилиндрический объем. Чтобы частица жидкости FF имела в данный моментускорение, направленное впраvo, давление на ее заднюю поверхность AA должно быть больше давления на ее переднюю поверхность BB. Давление на поверхности AA превосходит давление на поверхности BB. Повторяя эти рассужждения, мы приходим к заключению, что давление в трубе непрерывно падает от LL к RR. Такое же распределение давления (убывание давления от LL к RR) мы получим с помощью аналогичного рассужждения и в том случае, когда направление течения жидкости изменится на обратное.

Обобщая сказанное, мы можем сформировать следующую хорощное известную теорему гидродинамики неявкой жидкости. Если мы проследим за траекторией какой-нибудь частицы жидкости в Staционном потоке, то давление pp всегда будет больше там, где скорость его vv меньше, и наоборот. Как известно, количество выражения этой теоремы для

36

нескимаемых жидкости имеет вид

p=const−12ρv2,p = \text{const} - \frac{1}{2} \rho v^2,

где ρ\rho — плотность жидкости.

Рассмотрим прежде всего один общизвестный пример, иллюстриующий эту теорему,— истечение жидкости, находящейся под постояным давлением, из отверстия (Торричелли). В точке JJ (рис. 2) давление больше, а скорость, наоборот, меньше, чем в точке AA, так что выражение

p+12ρv2p + \frac{1}{2} \rho v^2

постоянно в струе.

В качестве второго примера рассмотрим пульверизатор (рис. 3). Воздуший поток, проходящий по трубке LL, после выхода из отверстия расширяется во все стороны, уменьшая при этом свою скорость. Поэтому давление в точке PP меньше, чем в точке GG, и, следовательно, меньше, чем в окружающей точку PP покоящемся воздухе. Жидкость из сосуда AA за счет попеженного давления в точке PP поднимается вверх и разрызгается потоком воздуха на мелкие

капельки. (To, что в этом примере мы имеем дело с потоком воздуха, а не с потоком нескимаемой жидкости, в существии ничего не меняет в наших рассуждениях.)

После этих приготовлений обратимся к рассмотрению волн на воде. Пусть WW — твердая стенка, имеющая вид волнистого цилиндра и расположенная perpendicularно к плоскости чертежа, с одной стороны граничит с потоком жидкости, текущим слева направо (рис. 4). Нас будет интересовать сила, с которой жидкость действует на стенку. Ясно, что поперечное сечение потока жидкости в точках BB больше, чем в точках TT. Следовательно, влизы точек BB жидкость будет течь медленнее, а влизы точек TT — быстрее, чем в тех точках внутри жидкости, которые расположены вдали от стенки WW. Поэтому влизы точек BB поток жидкости будет создавать избыточное давление, а влизы точек TT будет наблюдаться разрежение. В результате жидкость будет давить на стенку так, как будто она стремится увеличить ее изгиб. Это означает, что поток не мог бы подерживаться,

37

если бы поверхность жидкости была свободной и соответственно если бы стенка могла неограниченно изгибаться и растягивать *).

В этих рассуждениях, как и ранее, мы исходили из предположения, что не существует никаких причины, вызывающих давление, кроме течение жидкости. Если же в направлении стрелки S действует сила тяжесте, то она приводит к появлению в жидкости сны давления, возвращающей сверху вниз. Если бы действовала только одна сны тяжесте, то давление в точках B было бы меньше, чем в точках T.

Итак, течение и сны тяжесте порождают предпосылки к появлению различных разностей давления между точками B и T. Ясно, что можно так подобрать скорость течение жидкости, что обусловленные обменами причина результирующие разности давления между точками B и T будут равны нулю. После этого стенку W можно удалить, не внося при этом никаких возмущений в течение

*) Известно, что эти же сообщения позволяют обьясить, почему флаг положется на ветру.

Рис. 4

Рис. 5

жидкости. В результате мы получим течение жидкости с волнообразно исключенной поверхностью, какую часть можно наблюдать при обтекании потоком какого-нибудь прействия. Такую картину мы наблюдаем, глядя с места в воду, если стоимость над опорой.

Если же мы вздумаем описать весь процесс с точки зрения наблюдаателя, движущогося направо со скоростью потока вдали от стенок, то мы придем к обычным волнам на поверхности воды. Для этого наблюдается в покое, а гребни B и владины T уплывают с постояной скоростью назад.

Следовательно, возможность волнообразовательных процессов основывается на том, что статические и диамические разности давления, возникшие между точками с различной высотой, взаимно погашают друг друга.

Совершенно аналогично выглядит и обьясение приин, обусловленные появление подъемной силы крыла. Пусть в поток жидкости или воздуха вставлена твердая стенка, расположенная паралельно по-