Глава IX. Гидродинамика и аэродинамика

§ 180. Давление в движущейся жидкости

Мы уже знаем, что давление жидкости определяется степенью ее сжатия. Мы измеряем давление в покоящейся жидкости, погружая в нее манометр (§ 145). Погружение манометра в покоящуюся жидкость не изменяет степени ее сжатия; это позволяет правильно измерить давление жидкости.

Измерение давления в движущейся жидкости, например давления воды, текущей в трубе, или давления воздуха при ветре, сопряжено с большими затруднениями. Конечно, и в этом случае давление определяется степенью сжатия жидкости. Но манометр, погруженный в поток, является препятствием, которое может заметным образом изменить течение. При этом изменится и степень сжатия, а следовательно, и давление в разных точках жидкости. Таким образом, манометр, внесенный в поток, может измерить не то давление, которое существовало в потоке до его погружения, и, следовательно, показания его могут не дать правильной картины распределения давления в жидкости до внесения препятствия.

Изменение давления, вносимое препятствием, ясно на примере действия паруса. При равномерном ветре степень сжатия воздуха в соседних участках одна и та же, а поэтому можно было бы думать, что силы давления, действующие по обе стороны паруса, будут одинаковы и, следовательно, ветер не будет двигать парусное судно. Но в действительности парус существенно изменяет движение воздуха. Воздух, ударяясь о препятствие (парус), сжимается, подобно тому как сжимается мяч, ударившийся о стенку; со стороны ветра слои воздуха, прилегающие к парусу, сжаты сильнее, чем остальной воздух: здесь давление повышается. Напротив, с другой стороны паруса воздух, обтекая парус, оказывается менее сжатым, и давление здесь уменьшено. Таким образом, с одной стороны паруса давление повышено, а с другой — понижено. Возникает сила, приложенная к парусу, которая и движет судно.

Как и парус в потоке воздуха, манометр, погруженный в текущую жидкость, также изменяет скорость потока. Если повернуть манометр мембраной к потоку, получим большее показание; повернув манометр мембраной вдоль потока, получим меньшее показание; наконец, повернув мембрану на  от направления потока, получим еще меньшее показание. Когда манометр, представляющий собой плоскую коробку, расположен мембраной вдоль потока, то он мало изменяет скорость движения жидкости и степень ее сжатия; поэтому при таком положении мембраны показание манометра будет близко к давлению в потоке до погружения манометра.

Как же сделать, чтобы препятствие, погруженное в поток, совсем не изменяло скорости жидкости? Для этого нужно, чтобы препятствие само двигалось с той же скоростью, что и жидкость в потоке. Например, воздушный шар уносится воздухом с постоянной скоростью, равной скорости ветра. Поэтому он не нарушает движения окружающего воздуха, не создает в нем ни сгущений, ни разрежений; для такого шара движение воздуха неощутимо, так как воздух по отношению к нему не движется.

Так же и манометр, перемещающийся вместе с жидкостью, не будет изменять движения окружающих его слоев жидкости и покажет давление, которое было в потоке до его погружения. В этом случае жидкость неподвижна по отношению к манометру и измерение давления происходит так же, как и в гидростатике. На манометр, движущийся вместе с жидкостью, действует со стороны жидкости давление, которое соответствует степени сжатия жидкости в ненарушенном потоке.

Давление, которое можно было бы измерить манометром, движущимся вместе с жидкостью, называют статическим давлением. Показание же неподвижного манометра, мембрана которого поставлена перпендикулярно к потоку, называют полным давлением.

Итак, для измерения статического давления следует применять движущийся манометр, а для измерения полного давления — неподвижный. Однако на практике было бы крайне затруднительно применять движущийся манометр. Чтобы обойти это затруднение, прибору дают такую форму, при которой скорость течения вблизи места, где измеряется давление, не изменяется. Такой прибор можно сделать в виде узкой трубки с закругленным закрытым концом и с отверстиями сбоку (рис. 306, а). Струи потока, проходя мимо отверстий, практически сохраняют свою скорость неизменной, и в колене манометра, соединенного с такой трубкой, создается статическое давление. Такая трубка носят название зонда. Если же взять открытую с конца трубку, отверстие которой обращено к потоку (рис. 306, б), то у отверстия струя будет останавливаться, как и перед мембраной, так что в колене манометра, присоединенного к такой трубе, создастся полное давление. Такая трубка называется трубкой Пито. Манометр, соединенный с трубкой Пито, показывает более высокое давление, чем манометр, соединенный с зондом.

Рис. 306. а) При обдувании зонда показание манометра не меняется, б) При обдувании трубки Пито манометр показывает повышенное давление, в) Схема измерителя скорости потока

Присоединим теперь обе трубки к двум коленам одного и того же манометра (рис. 306, в). Тогда манометр будет показывать разность между полным и статическим давлениями. Чем больше скорость набегающего потока, тем больше эта разность. Поэтому по показаниям манометра, соединенного с такими трубками, можно судить о скорости потока. Мы получаем измеритель скорости потока, который можно применять как для измерения скорости воздуха, так и для измерения скорости течения жидкости.

Такие измерители скорости устанавливаются на самолетах. Они измеряют скорость воздуха относительно самолета или, что то же, скорость самолета относительно воздуха. Измеритель скорости — один из самых важных приборов, используемых при пилотировании самолета.