Глава 4. Газовая динамика
§ 1. Предварительные замечания.
В § 1 гл. II мы подчеркнули, что если при движении газа возникают разности давлений, небольшие по сравнению с абсолютным давлением газа, то изменения объема получаются столь малыми, что такие потоки газа можно считать в первом приближении как несжимаемые. Следовательно, для их исследования можно применять законы, выведенные для движения несжимаемой жидкости. Но в тех случаях, когда движение газа или пара сопровождается образованием больших разностей давлений, изменения объема получаются значительными, и рассматривать газ как несжимаемую жидкость уже нельзя.
При движении газа большие разности давлений и связанные с ними значительные изменения объема возникают в основном в следующих случаях:
1) когда пространство, занятое газом, находящимся под действием силы тяжести, имеет большое протяжение в высоту,
2) когда в потоке газа имеют место большие скорости-,
3) когда движение газа связано с большими ускорениями.
С первым случаем мы встречаемся при движении масс воздуха в свободной атмосфере. Исследование таких движений составляет предмет динамической метеорологии, вопросы которой, во многом еще мало разработанные, выходят за рамки настоящей книги. Поэтому мы не будем здесь заниматься систематическим изучением таких движений и ограничимся рассмотрением только некоторых задач (см. гл. V).
Второй случай имеет место либо при движении газа через отверстие или канал, соединяющий две такие области, в которых разность давлений сравнима с абсолютными давлениями, либо при движении
тела в газе с очень большой скоростью. В теоретическом отношении оба эти вида движений тесно связаны между собой; если движение тела в покоящемся газе рассматривать в системе отсчета, связанной с движущимся телом, то в ней тело будет покоиться, а газ будет набегать на него, следовательно, мы будем иметь поток газа около неподвижного тела. Законы, управляющие движениями газа при больших изменениях объема, имеют чрезвычайно важное практическое значение для исследования движений артиллерийских снарядов, ракет и скоростных самолетов, а также для исследования движений, происходящих в реактивных моторах и в паровых турбинах. Теория движения газов при больших скоростях обычно для краткости называется газовой динамикой.
Наконец, с третьим случаем, связанным с наличием больших ускорений, мы встречаемся при быстрых колебаниях в газе (также движения рассматриваются в акустике), при распространении взрывных волн и при быстром открывании или закрывании задвижек в трубопроводах.
Во всех этих случаях чрезвычайно важную роль играет скорость, с которой в массе газа распространяются возмущения давления. Поэтому мы подробно остановимся прежде всего на этом процессе.
