книги из ГПНТБ / Савкин Л.С. Метеорология и стрельба артиллерии

t а"б л и д а 4

Максимальная упругость водяных паров

Относительная влажность позволяет судить о коли­ честве водяного пара в воздухе только в процентах от максимальной упругости. При одной и той же относи­ тельной влажности воздуха абсолютная влажность бу­ дет разной.

Очень большое влияние на полет артиллерийского снаряда оказывает п л о т н о с т ь в о з д у х а . Под плот­ ностью понимается или отношение р массы воздуха к объему, который он занимает, или вес единицы объема воздуха Я. В метеорологии не принято рассматривать плотность воздуха как особый метеорологический эле­ мент и соответствующих приборов, которые позволяли бы измерять плотность воздуха, нет. Ее определяют по измеренным величинам температуры, давления и влаж­ ности, используя уравнение состояния газов:

ха Яо=29,27);

Т — температура по абсолютной шкале, град.

Как видно из формулы (1.3), с увеличением давления плотность увеличивается. Действительно, с увеличением давления воздух сжимается и, следовательно, в том же кубическом метре будет помещаться больше воздуха. Наоборот, с уменьшением давления плотность воздуха будет уменьшаться.

Плотность сухого воздуха (т. е. воздуха при отно­ сительной влажности 0%) при давлении 760 мм рт. ст.

20

и температуре 0°С равна 1,293 кг/м3. Плотность водяного пара меньше плотности сухого воздуха; она равна толь­ ко 0,622 плотности сухого воздуха (в одинаковых усло­ виях). Следовательно, добавляя к сухому воздуху более легкий газ — водяной пар, можно получить только смесь, которая будет легче первоначального сухого воздуха (в том же объеме и при том же давлении). Значит, с увеличением влажности плотность воздуха уменьшается. Наоборот, с уменьшением влажности плотность воздуха увеличивается.

Расчеты показывают, что с изменением влажности плотность воздуха меняется незначительно. В силу этого при стрельбе артиллерии считают влажность постоянной величиной. Однако это не значит, что влажность не учи­ тывается при стрельбе артиллерии. Ее влияние сводят к поправке, добавляемой к температуре воздуха. Как бы­ ло отмечено выше, влажность уменьшает плотность сухого воздуха. С другой стороны, из формулы (1.3) сле­ дует, что уменьшения плотности сухого воздуха можно достичь повышением температуры. Отсюда ясно, что требуется рассчитать, на сколько градусов необходимо повысить температуру сухого воздуха, чтобы его плот­ ность совпадала с плотностью воздуха при данной влаж­

ра туру . Таким образом, виртуальная температура — это такая температура сухого воздуха, при которой его плотность при том же давлении равна плотности дан­ ного влажного воздуха. Значение виртуальной темпера­ туры заключается в том, что она позволяет при расчетах использовать в формуле (1.3) газовую постоянную для сухого воздуха; формула для плотности влажного воз­ духа приобретает вид

в29,277\, ’

где Яв, Рв — плотность и давление влажного воздуха соответственно;

Tv — виртуальная абсолютная температура.

Значения виртуальных поправок для е= 50% Я при­ ведены в табл. 5.

21

Та б лица 5

Поправки для перехода к виртуальной температуре (при относительной влажности 50»/о)

Плотность воздуха с высотой уменьшается, ибо влия­ ние понижения давления сказывается сильнее, чем влия­ ние понижения температуры.

Рассмотрим упругие свойства воздуха. Упругость ха­ рактеризуется способностью тела восстанавливать свою форму (возвращаться в первоначальное состояние) после снятия нагрузки. Именно этому свойству воздуха обязаны мы возможностью слышать друг друга. Упругость воз­ духа хотя и не относится к числу метеорологических элементов, однако для артиллерии является очень важ­ ным фактором, влияющим на силу сопротивления воз­ духа движению снаряда. Упругость воздуха удобно оце­

/ = Ь°С и давлении 760 мм рт. ст.). Как зависит скорость звука от основных метеорологических факторов? Расче­ ты показывают, что изменение давления атмосферы практически не изменяет скорости звука, и влияние дав­ ления на скорость звука можно не учитывать. Измене­ нием же температуры и влажности пренебречь нельзя (при повышении температуры на 1°С скорость звука

С высотой скорость звука а уменьшается вследствие понижения температуры воздуха, оказывающей основное влияние на скорость звука.

22

Обратимся, наконец, к рассмотрению такого метео­ рологического элемента, как ветер. Ветром называется горизонтальное (параллельно поверхности земли) дви­ жение воздуха. Ветер характеризуется двумя величина­ ми: с к о р о с т ь ю и н а п р а в л е н и е м . Скорость вет­ ра есть путь, проходимый движущимся воздухом в еди­ ницу времени (м/сек, км/ч). Направление ветра харак­

юга. Измеряют направление ветра углом между направ­ лением на север и направлением на ту точку горизонта, о т к у д а дует ветер. Отсчитывают угол с севера по ходу часовой стрелки. Углы выражаются в градусах или де­ лениях угломера. Направлением на север могут служить

карты. В зависимости от этого будут измеряться и с т и н ­ ный азимут, м а г н и т н ы й азимут, или д и р е к ц и о н - и ы й у г о л ветра.

Направление и скорость_ветра могут быть измерены и вектором. Вектор ветра W задается углом на ту точку

ра a w, а также магнитный азимут вектора ветра Ат^ относительно наблюдателя, находящегося в точке О.

Причин возникновения ветра несколько. Прежде все­ го ветер обусловливается неравномерностью состояния атмосферы в горизонтальной плоскости. Это состояние в свою очередь во многом зависит от неравномерности распределения температур. Скорость перемещения ветра из области повышенного давления в область понижен­ ного давления тем больше, чем больше величина бари­ ческого градиента. Но, передвигаясь вдоль земной по­ верхности, воздушныйпоток одновременно участвует во вращательном движении Земли вокруг своей оси и вследствие этого подвергается воздействию возникающей

первоначального положения в Северном полушарии впра­ во, а в Южном полушарии влево. Помимо этого, на воз­ душный поток действуют ц е н т р о б е ж н а я с и л а н с и л а т р е н и я.

23

Центробежная сила, влияющая на движение воздуха, появляется, как известно, в случае криволинейного дви­ жения. Сила трения возникает вследствие вязкости (сцепления частиц) воздуха. Она проявляется сильнее

Север

всего у поверхности земли, а с высотой ее влияние по­ степенно убывает. Уже на высоте 2000 м ее влиянием можно пренебречь.

Воздушный поток в приземном слое, встречая на своем пути любое препятствие, меняет в этом месте ско­ рость и направление движения. На практике оказывает-

24

ей, что скорость и направление ветра непостоянны, ветер дует как бы порывами, а скорость наземного ветра на­ ходится в сильной зависимости и от высоты над почвой. Поэтому при определении наземного ветра необходимо правильно выбирать место для установки приборов изме­ рения ветра. Это место должно быть совершенно откры­ тым и ровным; с наветренной стороны не должно быть различного рода преград (хотя бы на расстоянии 100 ж ); вблизи приборов не должно быть мелких местных пред­ метов (например, кустов) и т. п.

Структура воздушного потока представляет собой скопление мелких вихрей различных размеров, постоянно зарождающихся, исчезающих и появляющихся вновь. Та­ кое явление называется т у р б у л е н т н о с т ь ю атмосфе­ ры. Вследствие турбулентности скорость и направление ветра часто меняются и на больших высотах. Поэтому знания лишь наземного ветра недостаточно для опреде­ ления его скорости и направления в верхних слоях ат­ мосферы. С этой целью должны производиться непосред­ ственные измерения ветра в верхних слоях.

3.ВЛИЯНИЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

■НА ПОЛЕТ СНАРЯДА

Если бы артиллерийский снаряд двигался в безвоз­ душном пространстве, то траектория его полета и даль­ ность стрельбы определялись бы только начальной ско­ ростью, углом к горизонту, под которым снаряд вылетел из ствола орудия (углом бросания), и силой тяжести. В действительности же полет снаряда происходит в атмосфере, т. е. в физической среде, которая оказывает сопротивление полету снаряда. Насколько велико это сопротивление, можно судить по тому факту, что даль­ ность полета снаряда даже при самых благоприятных условиях составляет не более 80% той, которая бы име­ ла место при отсутствии атмосферы. Помимо уменьше­

Об изменении дальности полета снаряда вследствие сопротивления воздуха дает представление табл. 6.

Вылетевший из ствола орудия снаряд, встречая ча­ стицы воздуха, начинает расталкивать их вперед и в

25

Та б лица 6

кон Ньютона: действие равно противодействию). В ре­ зультате частицы воздуха наталкиваются друг на друга и перед головной частью снаряда их накапливается больше, чем в окружающем воздушном пространстве. Следовательно, перед головной частью снаряда возни­ кает область повышенного давления воздуха (область сжатия). С другой стороны, частицы воздуха, оказавшие­ ся у стенок снаряда, движутся вдоль них и обтекают снаряд. В конце своего пути у дна эти частицы отрыва­ ются от стенок снаряда. Поэтому в донной части сна­ ряда происходят разрежение воздуха и уменьшение дав­ ления на дно снаряда. Таким образом, головная часть снаряда и его дно испытывают разные давления воз­ духа. Разность этих давлений приводит к возникновению с ил ы с о п р о т и в л е н и я д а в л е н и я , уменьшающей скорость движения снаряда.

Вытеснение воздуха головной частью снаряда приво­ дит и к другому эффекту. Частицы воздуха, столкнув­ шиеся со снарядом и выведенные из равновесия, пере­

духе возникают колебания, скорость которых, как изве­ стно, называется скоростью звука а. Звуковым волнам передается часть энергии снаряда, поэтому их образо-

26

ванне можно рассматривать как результат сопротивле­ ния воздуха движению снаряда. Возникнув же, звуковые волны изменяют состояние среды, в которой движется снаряд, а именно: упругие свойства воздуха становятся иными. Это сказывается на условиях полета снаряда. Сопротивление, обусловленное возникновением звуковых

из-за трения в определенной степени затормаживает сна­ ряд, т. е. уменьшает его скорость. Сопротивление воз­ духа вследствие его трения о стенки снаряда называется с о п р о т и в л е н и е м т р е н и я . Абсолютная величина этого сопротивления особенно возрастает при больших скоростях снаряда. Удельный вес (относительная вели­ чина) каждого из отмеченных сопротивлений по отно­ шению к суммарному сопротивлению в зависимости от скорости снаряда представлен в табл. 7.

тирующей силы, оказывающей сопротивление движению снаряда в атмосфере. Эта сила называется силой сопро­ тивления воздуха или п о л н о й а э р о д и н а м и ч е с к о й

в пространстве. В общем случае вектор полной аэроди­ намической силы не совпадает с плоскостью стрельбы. Для удобства изучения влияния этой силы на полет сна­ ряда ее (в соответствии с законами механики) разлагают на составляющие Rx, Ry, Rz, т. е. находят проекции век­ тора В. на оси пространственной (трехмерной) системы координат. Составляющие Rx,Ry,Rz называют силой ло­

27

бового сопротивления, подъемной силой и боковой си­ лой соответственно.

Таким образом, изучение влияния сопротивления воз­ духа на полет снаряда можно рассмотреть путем иссле­ дования каждой из составляющих полной аэродинами­

у

R

г

Рис. 4. Полная аэродинамическая сила Л и ее составляющие Rx, Rv, Rz

ческой силы. На рис. 4 показаны эти составляющие Rx,

Ry, Rz-

Анализ физических причин возникновения сопротив­ ления воздуха показывает, что величина полной аэроди­ намической силы и ее составляющих определяется рядом факторов, влияющих на полет снаряда. Расчет величин Rx, Rv, Rz (при отсутствии ветра) на практике произво­ дят по формулам:

(1.4)

28

ние воздуха на полет снаряда. Определение этих коэф­ фициентов производится опытным путем.

Как было отмечено, сила сопротивления воздуха воз­ никает как результирующая всех элементарных сил (трения, давления воздуха и волнового сопротивления), распределенных по поверхности снаряда. Ее точка при­ ложения, так называемый ц е н т р д а в л е н и я (Ц.Д.), расположена на продольной оси снаряда, но не совпа­ дает в общем случае с его ц е н т р о м м а с с (Ц.М .), т.е. точкой приложения силы тяжести. Центр давления мины

Рис. 5. Положение центров масс и давления:

а — для мины; б — для снаряда

29