2.4.2. Моделі обтічності

Реальні явища природи дуже складні і недоступні для строго теоретичного аналізу. Тому для побудови теорії того або іншого явища доводиться схематизувати дійсність і брати як об'єкт вивчення не реальне явище, а його спрощену фізичну модель. У теоретичній аеродинаміці прийнятий цілий ряд моделей обтікання тіл потоком повітря.

Перша модель - корпускулярна - була запропонована І.Ньютоном. При побудові своєї теорії він виходив з припущення, що повітря складається з окремих, не зв'язаних між собою частинок - корпускул, які при взаємодії з тілом втрачають повністю свою кінетичну енергію і прилипають до тіла, а частинки, що не зіткнулися з тілом, не змінюючи напряму, проходять мимо нього. За тілом утворюється застійна область, що йде в нескінченність.

Ця модель мала великий недолік. Вона не розглядувала обтікання тіла і тому давала велику помилку при обчисленні сили опору для щільних шарів повітря.

Останнім часом ця модель почала використовуватися при вивченні явищ обтікань тіл розрідженими газами. Якщо газ є сильно розрідженим, то молекули знаходяться одна від одної на значній відстані і довжина їх вільного пробігу велика. Так, наприклад, на висоті приблизного 160 км над рівнем моря в 1 мм³ повітря міститься всього одна молекула, тобто в 2,7·10¹⁶ раз менше, ніж у землі за нормальних умов. Така газова середа не може вважатися за безперервну, а дійсно складається з розрізнених частинок.

Друга модель - „ідеальна рідина”. Рідина, оточуюча тверде тіло, вважається за суцільну середу, позбавлену властивостей в'язкості і стисливості. Вона не має такого недоліку, як модель Ньютона. Математичне дослідження цієї моделі привело до трьох диференціальних рівнянь руху рідин (рівняння Л.Ейлера), вирішення яких дає можливість визначення швидкості в будь-якій точці потоку (середовища), оточуючого тіло.

Пізніше модель „ідеальна рідина” вивчалася М.Є. Жуковським і його учнями. В результаті дослідження цієї моделі була розроблена теорія, що пояснює причину виникнення піднімальної сили. Виводи теорії, побудованої на моделі „ідеальна рідина”, справедливі, якщо відношення розмірів тіла до довжини вільного пробігу молекул не менше 10⁵.

Третя модель - „стислива рідина” - досліджувалася С.А. Чаплигиним і його послідовниками. В результаті цих досліджень створена наука - газова динаміка, що вивчає закони руху тіл в повітрі і газах зі швидкостями, при яких необхідно враховувати стисливість.

Четверта модель - „в'язка рідина” - вивчалася Л. Прандтлем. В результаті виникла теорія межового шару. В даний час вчені-аеродинаміки досліджують складні моделі обтікання тіла в'язкою стисливою середою і модель обтікання тіла плазмою. Остання є високотемпературним середовищем, що складається з суміші електрично заряджених і нейтральних частинок. Будучи четвертим агрегатним станом матерії, плазма електропровідна і взаємодіє з магнітними полями. Середовище, подібне до плазми, утворюється при гальмуванні в атмосфері космічних об'єктів.

Кожна модель враховує тільки істотні (головні) ознаки явищ і відкидає другорядні. Чим більше ознак явищ зберігає модель, тим точніше виводи побудованої на її основі теорії, але тим більше труднощів виникає при її дослідженні.