Центр давления – точка, в которой линия действия равнодействующей приложенных к покоящемуся или движущемуся телу сил давления окружающей среды (жидкости, газа), пересекается с некоторой проведённой в теле плоскостью. Например, для крыла самолёта (рисунок 1) центр давления определяют как точку пересечения линии действия аэродинамической силы с плоскостью хорд крыла; для тела вращения (корпус ракеты, дирижабля, мины и др.) – как точку пересечения аэродинамической силы с плоскостью симметрии тела, перпендикулярной к плоскости, проходящей через ось симметрии и вектор скорости центра тяжести тела.

Положение центра давления зависит от формы тела, а у движущегося тела может ещё зависеть от направления движения и от свойств окружающей среды (её сжимаемости). Так, у крыла самолёта, в зависимости от форм его профиля, положение центр может изменяться с изменением угла атаки, а может оставаться неизменным ("профиль с постоянным центром давления"); в последнем случае х_цд ~ 0,25b (рисунок 1). При движении со сверхзвуковой скоростью центр давления значительно смещается к хвосту из-за влияния сжимаемости воздуха.

Изменение положения центра давления у движущихся объектов (самолёт, ракета, мина и др.) существенно влияет на устойчивость их движения. Чтобы их движение было устойчивым при случайном изменении угла атаки а, центр давления должен сместиться так, чтобы момент аэродинамической силы относительно центра тяжести вызвал возвращение объекта в исходное положение (например, при увеличении а центр давления должен сместиться к хвосту). Для обеспечения устойчивости объект часто снабжают соответствующим хвостовым оперением.

Рассмотрим понятие центра тяжести (массы). Центр тяжести является воображаемой точкой, в которой могла бы быть сосредоточена вся масса тела. Так, если вы сложите массы всех компонентов тела и их положения, вы получите центр тяжести, или ЦТ. Преимущество состоит в том, что теперь можно представить, что вместо тяжести, воздействующей на каждую часть тела, есть только одна гравитационная сила равная весу тела, действующая на центр тяжести.

То же самое работает для центра давления. Вместо воздуха, оказывающего давление по всему корпусу автомобиля, можно сложить все это вместе и использовать одну аэродинамическую силу, действующую на центр давления. Обычно эта сила будет действовать вниз (прижимная сила) и назад (сопротивление).

 

 

В качестве примера рассмотрим дротик для дартса (рис.1). Его масса сконцентрирована вокруг заостренного кончика, так что ЦТ снова находится спереди. А центр давления расположен больше в заднюю сторону, около стреловидных лопастей. Поэтому когда вы бросаете дротик боком, он скорректирует себя сам и полетит кончиком вперед.

То же самое происходит с автомобилем. Центр давления (CP) автомобиля расположен позади центра тяжести. Чем дальше назад расположен центр давления (CP), тем больше будет корректирующий вращающий момент, когда вы идете боком. Другими словами: если центр давления (CP) расположен дальше назад, чем ЦТ, автомобиль будет очень стабильным, и будет нелегко менять направление или идти боком.

Итак, как вы измените положение центра давления (CP)? В основном, путем перемещения антикрыла. Двигайте антикрыло назад и центр давления (CP) будет перемещаться назад вместе с ним. Двигайте антикрыло вперед, и центр давления будет перемещаться вперед. Переднее ветровое стекло здесь также достаточно важно, его размер и положение. Большое ветровое стекло, находящееся спереди автомобиля, означает, что центр давления также перемещается в переднюю часть автомобиля. Пример из реальной жизни: достаточно сложно повернуть спортивный автомобиль на скорости.

Примерно 95% массы волана расположено в куполообразном пробковом наконечнике. Поэтому очевидно, что ЦТ расположен около вершины.

Но с аэродинамической точки зрения, если вы думаете о том, где создается давление, это будет происходить в основном сзади, где расположены перья. Они создают большую поверхность и выталкивают воздух в стороны, когда волан летит через воздух. Поэтому центр давления (CP) находится где-то возле перьев, относительно далеко назад.

Теперь, когда вы ударяете волан вашей ракеткой, он почти немедленно переворачивается, чтобы лететь наконечником вперед. Почему так происходит?

Сначала вы должны понять этот небольшой кусочек элементарной физики:

Следующая диаграмма должна прояснить, как две равных, но противоположных силы, которые не действуют на одной линии, эквивалентны вращающему моменту (рисунок 2).

В нашем случае это означает, пока ЦТ не расположен непосредственно перед центром давления (CP), будет существовать вращающий момент, пытающийся это исправить. Чем больше две силы или больше расстояние между центром давления (CP) и ЦТ, тем больше вращающий момент.

В применении к волану (рисунок 3): сила от вашей ракетки действует в ЦТ, прочь от вас, а аэродинамическая сила, в этом случае чистое сопротивление, действует в центре давления (CP), в вашу сторону. Если ЦТ не находится прямо перед центром давления (CP), будет существовать вращающий момент, исправляющий это. Положение ЦТ перед центром давления является самым устойчивым и естественным положением.

На рисунок 4, предполагается, что волан движется к левой стороне вашего экрана.

Высота центра давления также важна.

Если смотреть со стороны и центр давления (CP) выше, чем ЦТ, или наоборот, тогда существует вращающий момент, так как сопротивление действует в центре давления (CP), а сила, которая двигает автомобиль, действует в ЦТ. Этот вращающий момент создает некоторое дополнительное давление на задних колесах и немного снижает его спереди (рис.1).

Этот момент буквально пытается перевернуть ваш автомобиль назад, подобно тому, как это иногда делают игрушки механических собак. Это означает, что когда вы устанавливаете антикрыло "выше", вы получаете большее заднее сцепление и меньшую поворачиваемость.

Пример из реальной жизни: мощные драгстеры. Маловероятно, что они могут установить свои антикрылья еще выше без опрокидывания. Причина номер 1, стоящая за этим, состоит в том, они нуждаются только в сцеплении для своих задних колес, передние не так важны, поскольку драгстеры предназначены для поездок по прямой. Причиной номер 2 является то, что чем выше они стоят, тем "чище" воздух, чище в смысле отсутствия завихрений.