Что такое эффект куанто

Коанда эффект — что это?

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

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.

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.

Источник

Эффект Коанда

Современная аэродинамика работает с одним из ключевых эффектов, которые становятся необходимыми для полета самолетов. Этот эффект известен как Эффект Коанда. Эффект Коанда сложно объяснить, но он становится слишком важным элементом и становится основой развития летательных аппаратов.

В этой статье мы расскажем вам, что такое эффект Коанда и его значение.

Что такое эффект Коанда

Чтобы объяснить, что это за эффект, вы должны представить горящую свечу. Если мы выключим эту красоту, обдув ее, это будет что-то мгновенное. Если мы проделаем то же самое, но поставим между свечой и нами коробку разумного размера. Самое нормальное — подумать, что он и нас уносит, воздух разойдется в обе стороны и не ударит по парусу. Однако, если мы воспользуемся бутылкой вина вместо коробки, результат будет другим. Логика наводит на мысль, что воздух тоже разойдется в обе стороны и не сможет расплатиться.

Хотя это кажется несколько удивительным, свечу можно погасить благодаря эффекту Коанда. И это Эффект Коанда объясняет кривизну жидкости при контакте с твердым телом. Жидкости приобретают изменение в движении и смещении, когда они сталкиваются с твердым телом.

Можно сказать, что эффект Коанда серия событий, способных описать поведение жидкости, когда она ударяется о поверхность. Он используется в качестве принципа, согласно которому все жидкости имеют тенденцию притягиваться к ближайшим поверхностям, а не подпрыгивать или дрейфовать. Это противоположность твердому телу. Если твердое тело сталкивается с другим твердым телом, наиболее нормальным является то, что оно отскакивает и отклоняется от своего пути. Однако в случае жидкостей это было принесено мне поверхностью твердого тела.

Эксперимент для подтверждения эффекта Коанда

Если мы проведем описанный выше эксперимент, то увидим, что воздух имеет тенденцию следовать изогнутой траектории бутылки, а не отклоняться в стороны. Если мы бросим теннисный мяч в бутылку с вином, мы увидим, что траектория мяча изменится, но не будет параллельна контуру бутылки. Это помогает нам извлекать необходимую информацию для знайте, что жидкость будет следовать по пути вокруг твердого тела.

Проще говоря, вязкость шума является основным фактором возникновения эффекта Коанда. Когда жидкость впервые сталкивается с телом, имеющим гладкий изогнутый контур, вязкость жидкости является причиной того, что частицы стремятся прилипать к поверхности твердого тела. Таким образом создается однородный и параллельный лист вокруг тела твердого тела. Можно было бы сравнить эту тенденцию образовывать своего рода лист по контуру тела, как если бы это был пластилин.

Все частицы в жидкости, в данном случае в воздухе, впоследствии они воздействуют на тело и создают новые слои, параллельные первоначальному. Вот как возникает отклонение на пути прохождения жидкости.

Полезность и важность

Эффект Коанды был продемонстрирован и используется ежедневно в авиации и автоспорте. Вы должны знать, что для оптимизации морфологии транспортных средств вы должны знать эффект трения с воздухом. Зная, что частицы жидкости прилипают к поверхности, мы можем улучшить аэродинамические формы. Примером, широко используемым эффектом Коанда, являются автомобили Формулы 1. Область с боковыми понтонами использует эффект Коанда для направления большого количества воздуха в определенные области, такие как плоское дно, диффузоры и элероны. Все эти элементы автомобиля напрямую влияют на сцепление с дорогой или максимальную скорость.

Это делает эффект Коанды одним из важнейших столпов автоспорта и авиации. То же самое и с самолетами. В крыльях траектория воздуха претерпевает небольшую кривизну, которая помогает генерировать силы, которые помогают удерживать самолет в воздухе. Воздух искривлен, и вместе с депрессией и третьим законом Ньютона мы знаем все силы, которые действуют на крыло самолета.

Благодаря эффекту Коанда потоки воздуха и любой другой жидкости можно корректировать и направлять, чтобы инженеры могли разрабатывать более эффективные транспортные средства. Это влияние эффекта Коанда на аэродинамику транспортного средства. это важный элемент в создании более безопасных и быстрых транспортных средств. Кроме того, эти аэродинамические конструкции помогают сэкономить много топлива, поскольку они помогают снизить силу трения с воздухом.

Характеристики и курьезы

Эффект Коанда связан с отражением жидкости вокруг объекта. Если мы проанализируем все силы и атмосферное давление, оказываемые атмосферой при полете на малой скорости, воздух будет считаться не просто жидкостью, а несжимаемой жидкостью. То, что воздух является несжимаемой жидкостью, означает, что объем воздушной массы всегда будет постоянным во времени. Мы также должны знать, что воздушные потоки не отделяются друг от друга, образуя пустоты, также называемые пустотами.

Многие ученые отрицают, что эффект Коанда проявляется в воде. Говорят, что это отклонение от пути воды при столкновении с поверхностью твердого тела происходит из-за поверхностного натяжения. Таким образом, можно сказать, что дефект Коанда применим не ко всем типам жидкостей, так как их плотность и вязкость также должны приниматься во внимание. Мы знаем, что воздух имеет низкую вязкость, поэтому эффект Коанды проявляется с большей интенсивностью.

Я надеюсь, что с этой информацией вы сможете узнать больше об эффекте Коанда и его важности в авиации и автоспорте.

Содержание статьи соответствует нашим принципам редакционная этика. Чтобы сообщить об ошибке, нажмите здесь.

Источник

Что такое эффект куанто

31-летний профессор машиностроения Дэвид Шмидт из Университета Массачусетса в Амхерсте в 2001 году получил Шнобелевскую премию за то, что на софте за 28 000 долларов для моделирования потоков жидкостей просчитал модель, частично объясняющую, почему занавеска хочет прилипнуть к вам в душе. (Публикация в Scientific American )

Дэвид Шмидт исследовал способы точной имитации брызг и распыления (spray). Обычно они использовали эти симуляции распыления, чтобы помочь разработать лучшие дизельные и авиационные двигатели. Однако тот же анализ в равной степени применим и к душевой кабине в ванной. В конце концов, душ — это просто большая струя брызг.

В своей симуляции Дэвид Шмидт учел эффекты дробления капель, модель также учитывала деформацию (distortion) капель, которая существенно влияет на аэродинамическое сопротивление.

Все предыдущие объяснения были теоретические: от эффекта Бернулли (Bernoulli effect) до теории плавучести (buoyancy effect).

Гипотеза эффекта Бернулли

Самым популярным объяснением эффекта занавески для душа является принцип Бернулли. Принцип Бернулли гласит, что увеличение скорости приводит к снижению давления. Эта теория предполагает, что вода, вытекающая из насадки для душа, заставляет воздух, через который движется вода, течь в том же направлении, что и вода. Это движение будет параллельно плоскости занавески для душа. Согласно принципу Бернулли, если воздух движется по внутренней поверхности занавески для душа, давление воздуха там упадет. Это приведет к перепаду давления между внутренним и внешним пространством, что приведет к перемещению занавески внутрь. Эффект будет наиболее сильным, когда зазор между человеком и занавеской будет наименьшим, в результате чего занавеска будет прилипать к человеку.

Но эффект Бернулли основан на соотношении давления и ускорения и не учитывает наличия капель. И, по расчетам лауреата Шнобелевской премии, этот эффект не отвечает за прогиб занавески в душе.

Также называемый эффектом дымохода или эффектом стека/тяги, подразумевает, что теплый воздух (из горячего душа) поднимается над занавеской душа, когда более прохладный воздух (около пола) проталкивается под занавеску, заменяя поднимающийся воздух. Если придвинуть занавеску к струе, вихрь (ближнего действия) и эффекты Коанда становятся более значительными. Однако эффект занавески для душа сохраняется при использовании холодной воды, что означает, что это не может быть единственным действующим механизмом.

Теория плавучести предполагает, что горячий душ вызывает повышение температуры воздуха в душе, уменьшая его плотность. В этом случае давление на душевой стороне занавески будет ниже, чем давление снаружи на той же высоте от пола, что приведет к смещению занавески в сторону более низкого давления. Проблема с этим объяснением состоит в том, что занавеска так же будет втягиваться внутрь к холодному душу.

Эффект Коанда, также известный как «прикрепление пограничного слоя», представляет собой тенденцию движущейся жидкости прилипать к соседней стене.

Гипотеза горизонтального вихря

Для расчета Дэвид Шмидт нарисовал модель типичного душа и разделил зону душа на 50 000 крохотных ячеек. Ванна, душ, карниз и комната за пределами душа также были включены. Шмидт запускал программу Fluent в течение двух недель на своем домашнем компьютере по вечерам и по выходным (когда его жена не использовала компьютер). За это время ему удалось смоделировать 30 секунд потока брызг.

Компьютерное моделирование показало, что брызги образуют горизонтальный вихрь. Этот вихрь имеет в центре зону низкого давления, которая всасывает завесу. Эта область низкого давления притягивает занавеску. Вихрь вращается вокруг оси, перпендикулярной занавеске. Это немного похоже на пылевой смерчик, но в отличие от смерча, этот вихрь не гаснет, потому что он постоянно подпитывается потоком капель.

Капли воды в ливне показаны цветом по величине скорости. На занавеске для душа обозначены заполненные контуры давления.

Векторы скорости показывают движение воздуха в душе. Помимо движения, вызванного лобовым сопротивлением, вблизи ливня имеется большая картина рециркуляции над ним.

Показанный здесь прогиб душевой занавески (не в масштабе) был рассчитан с использованием баланса сил.

Тяга достаточно слабая, поэтому если напор воды небольшой, или душ недостаточно распыляет поток на капли, или занавеска тяжелая, то засасывание не заметно.

Профессор Шмидт непреклонен в том, что это исследование было сделано «для развлечения» в свободное время без использования грантов.

Мое личное десятилетнее наблюдение за «эффектом душевой занавески» показало, что широкая «лейка» вызывает бомбическую тягу, а от температуры воды тяга не меняется.

Автор: Алексей JetHackers Стаценко

Эффект Коанда

Немножко физики

Эффект Коанда — физическое явление, названное в честь румынского учёного Анри Коандэ. Коандэ в 1932 году обнаружил, что струя жидкости, вытекающая из сопла, стремится отклониться по направлению к стенке и при определенных условиях прилипает к ней. Это объясняется тем, что боковая стенка препятствует свободному поступлению воздуха с одной стороны струи, создавая вихрь в зоне пониженного давления.

Применение эффекта Коанда в гоночных машинах

Прежде чем говорить о применении данного эффекта, давайте с ним познакомимся.

Эффект Коа́нда — физическое явление, открытое румынским учёным Анри Коандэ.

В 1910 году молодой румынский авиатор Анри Коанда (Коандэ) испытывал свой самолет — первый в мире реактивный самолет с мотокомпрессорным двигателем — в Исси-ли-Мулино под Парижем.

Самолет Coandă 1910:

Чтобы пламя из расположенных по бокам реактивных сопл не подожгло фанерный фюзеляж, изобретатель установил металлические отражатели. Но когда самолет начал разбег, Коанда с изумлением увидел: щитки, вместо того, чтобы отражать пламя, наоборот, присасывают его к фюзеляжу. Сделанное в столь необычных условиях открытие едва не стало причиной аварии. Однако Коанда хотел подробнее изучить данное явление.

Он отправился к известному аэродинамику фон Карману, который сразу оценил важность открытия. Эффект заключается в том, что струя жидкости или газа прилипает к поверхности твердого тела. Искусно подбирая форму этой поверхности, можно изменить направление струи и даже повернуть её в обратную сторону.

Коанда установил, что изгибаемая воздушная струя присасывает (тянет за собой) воздух из окружающей среды. Он измерил давление в разных точках обтекаемой поверхности, и оказалось, что оно ниже атмосферного. Выходит, что атмосферное давление, давящее на противоположную стенку поверхности, создает силу, способную перемещать аппарат.

Источник