Існує багато фізичних явищ і законів, відкритих людиною абсолютно випадково. Починаючи з легендарного яблука, що впало на голову Ісаака Ньютона, і мирно приймала ванну Архімеда до новітніх відкриттів у галузі створення нових матеріалів і біохімії. Ефект Коанди належить до цього ж ряду відкриттів. Як це ні дивно, але його практичне застосування в техніці досі все ще перебуває на початковому етапі. Отже, ефект Коанда – що це?
Історія відкриття
Румунський інженер Анрі Коанда під час проведення випробувань свого експериментального літального апарату, забезпеченого реактивним двигуном, але має дерев’яний корпус, щоб уникнути займання корпусу від реактивного струменя, встановив захисні металеві пластини з боків від двигунів. Однак ефект від цього вийшов зворотним від очікуваного. Минає реактивні струмені з незрозумілих причин почали притягуватися до цим захисним пластин і перебували в районі їх розміщення дерев’яні конструкції планера могли спалахнути. Випробування закінчилися аварією, але сам винахідник не постраждав. Все це відбувалося на самому початку XX століття.
Експериментальна перевірка
Ефект Коанда – це явище, яке можна перевірити, не виходячи з кухні. Якщо відкрити воду в крані і піднести до струмені води плоску пластину, то можна побачити цей ефект власні очі. Вода буде ледве помітно відхилятися в бік пластини. При цьому, швидкість потоку води може бути і не дуже велика. В принципі, це явище спостерігається в будь-якому середовищі: водного чи повітряного. Головне – наявність потоку середовища та наявність поверхні, що примикає з одного боку до цього потоку.
До речі, це явище має ще одну назву – ефект чайника. Саме завдяки цьому ефекту при нахилі чайника вода з нього не потрапляє в чашку, а струмує вниз по носику, заливаючи скатертину, а іноді і коліна оточуючих. Оскільки закони гідродинаміки і аеродинаміки в цілому, за невеликими винятками, практично тотожні, щоб не повторюватися, надалі ефект Коанди буде розглядатися для повітряної середовища.
Фізика явища
Ефект Коанда ґрунтується на виникаючій різниці тисків в потоці при наявності обмежує цей потік стінки, що перешкоджає вільному доступу повітря з однією з сторін. Будь потік повітря складається з шарів, що мають різну швидкість. При цьому експериментально доведено, що сила тертя між шаром повітря і примикає твердою поверхнею менше, ніж між окремими шарами повітря. Тим самим швидкість шару повітря, що проходить поблизу від поверхні, виявляється вище швидкості шару повітря, віддаленого від цієї поверхні.
Більш того, на досить великій відстані швидкість одного з шарів повітря відносно поверхні взагалі буде дорівнює нулю. Виходить неоднорідне поле швидкостей по висоті потоку. Згідно із законами газодинаміки тут виникає поперечна різниця в тиску, відхиляюча потік у бік меншого тиску, тобто туди, де швидкість шару повітря вище – в бік обмежує стінки. Підбираючи форму сопла і поверхні, експериментуючи з відстанями і швидкістю, можна змінювати напрямок потоку в досить широких діапазонах.
Математика
Протягом дуже довгого часу описуване явище взагалі не визнавалось, незважаючи на його очевидність і відносну легкість експериментальної перевірки. Потім виникла необхідність теоретичних розрахунків сили і вектора цієї сили, тобто зробити розрахунок ефекту Коанда. Такі розрахунки були зроблені для різного типу струменів.
Виведені формули досить громіздкі і являють собою поєднання диференціального числення з тригонометрією. Але ці складні і багатоступінчасті розрахунки можуть дати лише приблизний результат. Зрозуміло, все це вважається не на папері, а з використанням сучасних алгоритмів, закладених у обчислювальні машини. Однак реальні значення можна отримати виключно експериментальним шляхом. Занадто багато факторів впливає на цей ефект, і не всі з них можуть бути описані з використанням математичних формул.
Від чого залежить це явище
Якщо пропустити ретельний розбір формул, що вимагає неабиякої кваліфікації, сила ефекту Коанди залежить від швидкості потоку, співвідношення діаметра потоку і кривизни стінки. Експерименти показали, що величезне значення має розташування і діаметр сопла, шорсткість поверхні стінки, відстань між потоком і обмежує його стінкою, а також від форми самої стінки. Також відзначено, що ефект Коанда більш виражений у турбулентному потоці.
Що ще придумав першовідкривач
Після відкриття явища А. Коанда зайнявся його розробкою і пошуком практичного застосування. Результатом його зусиль став патент на винахід літаючого парасольки. Якщо в центрі півсфери, схожою на парасольку, встановити сопла, що викидають потік газів, то у відповідності з ефектом Коанда, цей потік буде притискатися до поверхні півсфери і стікати вниз, створюючи область зниженого тиску над парасолькою, штовхаючи його вгору. Сам винахідник називав це крилом літака, згорнутим у кільце.
Спроби практичної реалізації цього винаходу успіхом не увінчалися. Причина – нестійкість апарату в повітрі. Однак, останні досягнення в області інтелектуального управління нестійкими конструкціями у повітрі, так званий принцип Fly by Wire, дає надію на появу цього екзотичного літального апарату.
Що вдалося реалізувати
Хоча парасолька винахідника підняти в повітря так і не вдалося, ефект Коанда в авіації застосовується, але, умовно кажучи, на другорядних напрямках. З найбільш видатних прикладів можна навести, розроблений в 40-х роках вертоліт без хвостового гвинта, функції якого з компенсації обертання несучого гвинта, виконували встановлені в задній частині вентилятор і сопла зі спеціальними напрямними. Ця ж система дозволяла управляти вертольотом за рисканню і тангажу. Це було застосоване на вертольотах MD 520N, MD 600N і MD Explorer.
На літаках ефект Коанда – це, насамперед, збільшення підйомної сили шляхом додаткового охолодження від двигуна верхній поверхні крила, що дає максимальний ефект при випущеної механізації, тобто коли крило має максимально «опуклий» профіль, що дозволяє потоку йти майже прямовисно вниз. Це реалізовано на радянських літаках Ан-72, Ан-74, а також Ан-70. Усі ці машини мають поліпшені злітно-посадковими характеристиками, що дозволяють використовувати короткі смуги для злету та посадки.
З американської техніки можна назвати “Боїнг-7”, що використовує той же принцип, а також ряд експериментальних машин. У післявоєнний період було зроблено багато спроб створити літальний апарат на принципах ефекту Коанда. Всі вони мали форму літаючої тарілки, і всі вони, по закінченні певного часу, були закриті із-за технічних складнощів. Можливо, ці роботи у строго охороняється формі ведуться і в даний час.
З небес на землю і під воду
Для збільшення зчеплення коліс з треком ефект Коанда почав використовуватися і в конструкціях болідів “Формули-1”. Машини обладнані дифузорами і обтічниками, до яких притискається потік вихлопних газів, забезпечуючи потрібний ефект. На наведеному вище зображенні показано рух вихлопних газів, прилипають до обводами, незважаючи на те, що сама вихлопна труба дивиться вгору.
Крім наземного транспорту, проводилися і проводяться експериментальні роботи, пов’язані з використанням цього явища на підводних суднах. Зокрема, в Санкт-Петербурзі створений досить екзотичний підводний велосипед, чомусь названий по-англійськи – Blue Space, в перекладі «блакитний космос». Те, що він використовує для пересування, – це ефект Коанда. У передній частині підводного велосипеда» встановлені обтічники, в які вмонтовані гребні ролики, всмоктувальні воду через спеціальні щілини. Потім вода виштовхується на поверхню корпусу машини, створюючи тягу на її поверхні. Вода обтікає весь корпус, знову всмоктуючись у щілину на кормі, виштовхується назовні.
