Аэродинамика… плуга

На одном из слетов научных обществ учащихся устроили ребята защиту фантастических проектов. Ну и повеселились же! Например, мальчишки из Краснодара предложили пахать с помощью… самолетов! Прицепить-де к крылатому трактору плуг – и полный вперед! Только успевай поднимать плуг над городами, чтобы за трубы не зацепиться…

Но в каждой хорошей шутке, как известно, есть доля истины. «Конечно, плуг и самолет движутся каждый в своей среде: плуг – в почве, самолет – в воздухе, – рассудил сотрудник НИИ кукурузы, кандидат технических наук С.С. Тищенко. – Но это вовсе не значит, что между ними нет никакого сходства»…

Присмотримся, при движении плуг, стремясь сдвинуть почву перед собой, прежде всего сжимает, а потом разрушает ее. Но ведь и самолет в полете тоже разрушает структуру воздуха! Взвихривает его и как бы разбрасывает в стороны. При этом впереди самолета тоже образуется уплотнение – ударная волна. И эта волна, как ни странно на первый взгляд, имеет ту же физическую сущность, что и уплотнение в почве – расстояние между молекулами уменьшается.

«Отсюда первый вывод: часть энергии любого движущегося тела затрачивается на разрушение среды и предшествующее этому сжатие, – продолжает Тищенко. – Запомним и пойдем дальше»…

Под действием плуга разрушенная почва движется по отвалу, сползая сплошным потоком. Так она приобретает кинетическую энергию, за счет которой и происходят оборот пласта, отбрасывание почвы в соседнюю борозду… Воздушный поток, обтекающий самолет, тоже приобретает кинетическую энергию. При этом поток закручивается в турбулентные вихри, которые еще долго вращаются и после того, как самолет пролетел.

На очереди вывод второй: часть энергии движущегося тела обязательно затрачивается и на сообщение кинетической энергии частицам, соприкасающимся с ним.

Наконец, третий вывод: и при движении плуга в почве, и при полете самолета обязательно трение, на преодоление которого расходуется часть энергии.

В итоге мы с вами, вслед за замечательным ученым, большим специалистом в области механизации сельского хозяйства академиком В.П. Горячкиным, придем к такому закону: «Любое тело, движущееся в среде, затрачивает энергию как на ее разрушение, раздвигание в стороны, так и на трение…»

А теперь посмотрим, какие затраты энергии полезны, а какие вредны.

Разрушение почвы лемехом, конечно, полезно – это и есть основная задача пахоты: взрыхлить землю, чтобы растениям было удобнее развиваться. А вот расходы на сжатие и трение вредны, они препятствуют выполнению основной задачи.

Раздвигание воздуха самолетом тоже полезно – иначе летательному аппарату просто негде было бы разместиться. А вот закручивать воздух вихрями, нагревать его трением о фюзеляж конструкторам не хотелось бы. Чтобы уменьшить нежелательные потери энергии, они стараются придать летательным аппаратам обтекаемую форму, подобрать такие материалы, когда бы обтекание было не турбулентным, вихревым, а ламинарным, т, е. спокойным, без завихрений.

Ну а что могут предложить конструкторы сельхозтехники? Тоже немало. В последние годы они провели целый ряд исследований по совершенствованию динамики плуга. Углы заточки лемехов, кривые лемешных отвалов подбираются так, чтобы почва разрушалась с наименьшими затратами энергии. А то порой даже могучие «Кировцы» оказываются не в силах тащить за собой многолемешные, широкозахватные плуги.

Одно из последних достижений аэродинамики – сотовое крыло. Кто о нем еще не слышал – два слова пояснения. Сотовым называется крыло, поверхность которого испещрена миллионами крошечных отверстий, прожигаемых лазером. Через них с поверхности крыла отсасывается турбулентный поток, и обтекание становится ламинарным, спокойным. Нечто подобное применили и в конструкции плугов: сплошные отвалы в некоторых случаях заменяют полосовыми, то есть испещренными щелями. И пожалуйста – сопротивление таких плугов, особенно на влажных глинистых почвах, сокращается на четверть, а то и на треть.

Еще одна аналогия с самолетостроением – использование специальных покрытий. Полимерные пленки позволяют уменьшить сопротивление самолета воздушному потоку на 10–15 %. На ту же величину снижается трение в почве, если на поверхность отвалов нанести скользкое пластиковое покрытие. А это, сами понимаете, экономит горючее, оборачиваясь сотнями тысяч рублей прибыли.

Правда, при трении о почву пластики довольно быстро истираются. Тогда стали использовать еще одну новинку «высокой технологии»– металлизированную пластмассу, у которой коэффициент трения пластика, а прочность – металла.

Но все это лишь одна сторона медали. Сторона другая: самолет за 100 лет из полотняной «этажерки» превратился в могучую машину. Плуг же за последние 200 лет принципиально не изменился. Почему? В немалой степени совершенствованию авиации способствовали усилия не только аэродинамики, но и двигателистов, создавших реактивные турбины. На полях же до сих пор урчат двигатели внутреннего сгорания…

Нет, реактивного трактора пока еще никто не придумал (разве что мальчишки из Краснодара). А вот реактивные плуги есть. Одна из разновидностей такого агрегата, разработанная в НПО «Целинсельхозмеханизация», используется для углубленного рыхления почвы.

«Исследования показали: нынешние “Кировцы” и им подобные «мастодонты», увы, уплотняют почву на глубину 70–90 см, – рассказывает заведующий лабораторией механизации обработки почвы и посева кандидат технических наук Г.З. Гайфуллин. – Так уплотняют, что даже бурьян не растет. Использовать для рыхления такой почвы обычные плуги – мало толку. Чтобы произвести вспашку на подобную глубину, на поле впору загонять спарку тяжелых тракторов. А они дополнительно прикатают землю»…

Что же придумали? Конструкция нового плуга-рыхлителя выглядит так. Острый и узкий лемех с тщательно подобранными углами резания позволяет с меньшими затратами энергии углубляться на нужные десятки сантиметров. А чтобы затем плугу было легче передвигаться в почве, вместо обычного отвала поставлен своеобразный винт-«пропеллер», или почвенная фреза. Она-то и является реактивным если не двигателем, то движителем.

Когда лемех продвигается в земле, взрыхленная им почва проворачивает лопасти фрезы. При этом происходит не только разрыхление уплотнений, но и подталкивание лемеха вперед и не как-нибудь, а за счет реактивной отдачи. Чтобы получить такой эффект, изобретателям пришлось немало потрудиться, призвав в союзники законы динамики сплошных сред.

И это лишь одна из новинок, которая роднит сельское хозяйство с авиацией. А слышали ли вы о плуге на воздушной подушке? Такую конструкцию придумал еще в 70-х годах XX века советский изобретатель А.А. Кузнецов. Отработанные газы тракторного двигателя он предложил подводить к специальным соплам, сделанным на поверхности лемеха. В итоге струйки сжатого воздуха дробят почву, а вдобавок как бы обволакивают поверхность стали, препятствуя налипанию почвы на лемеха и отвалы. При глубине вспашки до 35 см тяговое усилие снижается на 9—20 %.

А вот что предлагает московский профессор А.А. Дубровский. Вместо стальных корпусов на плуге устанавливаются вертикальные пластины с обтекаемыми утолщениями. Казалось бы, после прохода такого плуга в почве должна оставаться лишь узкая щель. Образуется же широкая полоса, тщательно взрыхленная на метровую глубину. Догадались почему? Правильно, в роли трудяги-крота выступает сжатый воздух. Вырываясь из трубок утолщений под давлением в несколько атмосфер, он не только подталкивает плуг за счет реактивной тяги, но и дробит почву, превращая ее в мягкую перину для семян. Прорастающие растения смогут быстрее развиваться, давая добрый урожай.