Субботнее. Почему коровы летают. Аэродинамика крупного рогатого скота

Сегодня день такой наверное. Вот я и решил, прочитав эти сообщения - https://aftershock.news/?q=node/558835 - Советская летающая подводная лодка, и https://aftershock.news/?q=node/558816 - 2 сентября 1942 года СССР первый полёт танка - поместить еще одну заметку.

Коровы стараются развернуться мордой от ветра, облегчая стекание капель по шерсти во время дождя. Но нет ли в этом поведении дополнительного смысла? Ведь с точки зрения аэродинамики на тело, движущееся в потоке воздуха, могут действовать четыре силы. Направленная вперед тяга противостоит тормозящему сопротивлению, которое связано с формой предмета и с трением газа о его поверхность. Если за счет геометрии тела над ним создается поток воздуха пониженного давления, а под ним — повышенного, то возникает подъемная сила. При достаточной скорости воздуха она может даже превысить вес, тянущий вниз. Получается, что при определенной форме тела и нужной силе ветра коровы могут… взлететь?

 

Самым надежным способом проверить это был бы, конечно, эксперимент в аэродинамической трубе. По счастью, современные методы моделирования позволяют выяснить все, не мучая животных. Физик и блогер Робин Борнофф использовал для этого трехмерную CAD-модель коровы и программный пакет FloEFD, предназначенный для решения инженерных задач в области гидрогазодинамики и теплообмена. Компьютер помог рассчитать сопротивление и подъемную силу коровы при ветре, направленном спереди либо сзади и имеющем скорость от 1 до 12 по шкале Бофорта — от слабого дуновения в 1−5 км/ч до урагана в 300 км/ч (зафиксированный рекорд составляет около 400 км/ч).

 

 

Робин Борнофф отметил, что алгоритмы, которые используются для получения расчетной сетки и моделирования в FloEFD, были предложены еще в работах советских ученых. В 1980-х, не имея больших вычислительных мощностей, которые были доступны ученым передовых стран, в Союзе создали исключительно экономные методы аэрогидродинамического моделирования. Эти подходы применяются и сегодня в самых разных областях, будь то строительство, авиация или транспорт. Расчеты в FloEFD показали, что если ветер дует сзади, то подъемная сила, действующая на корову, почти не увеличивается с ростом его скорости. Зато, если животное стоит к ветру носом, она возрастает довольно заметно, и если бы скорость ветра превысила примерно 1200 км/ч, скотина вполне могла бы взмыть в небо.

 

 

 

 

Конечно, все это только теория: в реальности ураган такой силы давно унес бы корову прочь, а если бы мы приклеили ее к месту, ветер разорвал бы несчастное животное на куски. Но все-таки можно вообразить, как она, укрепленная экзоскелетом, бежала бы все быстрее и быстрее, пока, набрав нужный разгон, не взмыла в небо, как… сверхзвуковой снаряд массой 700−800 кг. Взлетная скорость этой неудачной с точки зрения аэродинамики конструкции слегка превышает звуковую. Зато такое быстрое движение создает особенно яркие аэродинамические эффекты: Робин Борнофф рассчитал их для скорости в 8 Махов (около 9800 км/ч) — то есть не для сверхзвуковой, а для гиперзвуковой коровы.

 

 

На картинке видна область, в которой скорость потока, обтекающего животное, резко падает до дозвукового уровня. Расходясь в стороны и теряя энергию, этот скачок уплотнения превратится в акустические волны звукового барьера. Но гиперзвуковая корова будет не только грохотать: у фронта ударной волны газ резко раскаляется и сжимается, моментально превращаясь в горячую плазму. А значит, животному потребуется не только укрепленный каркас, но и эффективная термозащита. Всегда полезно провести моделирование, прежде чем приступать к экспериментам.