Файл: Быков В.Д. Гидрометрия учебник.pdf

Причиной обгона является наличие неуравновешенной проек­ ции веса тела на ось движения. Рассмотрим силы, действующие на плывущее в воде в состоянии безразличного равновесия тело (рис. 11.31). Проведем прямоугольную систему координат, распо­ ложив начало координат в центре тяжести тела, а ось абсцисс на­ правим вниз по течению параллельно поверхности воды. Архиме­ дова подъемная сила действует перпендикулярно водной поверх-

Рнс. 11.31. Схема сил, действующих на плывущее тело.

ности; ее проекция на ось движения равна нулю. Сила тяжести направлена вертикально вниз. Вес тела равен

двигалось бы все время с ускорением, если бы не существовало сопротивление воды R.

Опущенное в поток тело не приобретает сразу скорость, рав­ ную скорости движения воды. В течение некоторого времени ско­ рость тела возрастает от нуля до скорости, равной скорости ок­ ружающих частиц воды. Далее тело начинает обгонять их, пока сила сопротивления воды не уравновесит движущую силу. После этого движение тела продолжается со скоростью, превышающей скорость потока. Превышение скорости плывущего тела над ско­ ростью потока зависит от веса, формы тела и уклона водной по­ верхности. Чем тяжелее плывущее тело, чем меньше величина

площади проекции тела на плоскость, перпендикулярную оси дви­ жения (мидель), чем более обтекаема форма тела и больше уклон водной поверхности, тем больше величина обгона. Для больших и тяжелых тел величина обгона получается довольно большая. На­ пример, еще В. М. Лохтин наблюдал, что сплавные суда на р. Чусовой двигались со скоростью, на 20—30% превосходящей ско­ рость текущей воды. По опытам в лотке получалось, что обгон бревна при уклоне 0,0014 достигал 40% по сравнению со средней скоростью воды.

Размеры обычно применяемых поплавков незначительны, вслед­ ствие чего ошибки из-за указанного превышения скорости малы, как правило, в пределах точности измерений. Однако из сказан­ ного выше следует сделать вывод, что размеры поплавков для гид­

ших реках приходится делать сравнитель­ но большие поплавки, то им следует придавать плохо обтекаемую форму, на­ пример в виде крестовин из досок (рис. 11.32).

интеграторы. Последние применяют в на­ стоящее время при измерениях расхода воды с самолета. Суще­ ствуют еще двойные поплавки, которые применяются в основном для изучения течений на морях, а также на озерах и водохрани­

Широко применяются различного рода поплавки при проведе­ нии научных исследований как в натурных, так и особенно в лабо­ раторных условиях. Иногда в качестве поплавка используют жид­ кий индикатор — раствор краски или радиоактивный изотоп.

шириной до 100 м можно делать поплавки в виде кружков, отпи­ ленных от сухого бревна (рис. 11.32 а); толщина их 3—5 см, ди­ аметр 15—25 см. Для рек шириной 100—300 м поплавки изготов­ ляют в виде крестовин из досок (рис. 11.32 б); для лучшей види­ мости их иногда снабжают флажком, а для устойчивости снизу подвешивают грузик.

К недостаткам поверхностных поплавков следует отнести огра­ ниченность их применения в ветреную погоду, особенно при неболь­ ших скоростях течения, менее 0,5 м/с. При ветре скоростью более 6 м/с применять поверхностные поплавки вообще не рекоменду­ ется.

146

Следует учитывать следующие особенности работы с поплав­

в определении длины пути поплавка, если она определена как рас­

•случае величина скорости течения есть средняя скорость на траек­

этому скорость движения всей системы приблизительно равна скорости течения на той глубине, на которую погружен нижний поплавок.

На рис. 11.33 показаны типы глубинных поплавков, применя­ емые для измерения малых скоростей течения, менее 0,15 м/с, ко­ торые недостаточно точно могут быть измерены гидрометрической вертушкой. Нижний поплавок опускается на глубину, где требу­ ется измерить скорость, а верхний оставляется на поверхности в качестве указателя. Такие поплавки употребляются при измере­ нии расходов воды, а также для определения границ мертвого про­

средней скорости течения на вертикали. Поплавок погружают на дно, затем в определенный момент выпускают, и он начинает всплывать. Подъем поплавка-интегратора со дна на поверхность происходит под действием Архимедовой силы. Под действием ско­ рости течения поплавок сносится вниз по течению. Рассматривая перемещение поплавка при всплытии (рис. 11.34) за время dt,

можем написать:

где / — расстояние от вертикали до точки всплытия поплавка; и — местная скорость течения (переменная по глубине); V\ — скорость

У1 -Ф

/dl=uctt

I

^\wл^v^лчVл^^^''Л\^JЛч\wч^w/>^^w^/\^\^^л\v••|<,'W7r7^^^'''«l,,^\ч\^^^

Рис. 11.34. Схема всплытия поплавка-интегратора.

вертикального подъема поплавка, приближенно принимаем ее за постоянную; h — глубина вертикали.

Из приведенных формул получаем:

Выражение j udh определяет собой, как известно, величину

площади эпюры скоростей течения на вертикали, поэтому можно написать

где vB — средняя скорость течения на вертикали; тогда получим

148

откуда

Из последней формулы видно, что для определения средней ско­ рости на вертикали требуется измерить глубину вертикали h и рас­ стояние / от вертикали до точки всплытия поплавка.

Скорость вертикального подъема поплавка v\ должна быть определена предварительно для каждого поплавка путем испытаний в стоячей воде. Следует иметь в виду, что в турбулентных потоках из-за наличия восходящих и нисходящих токов величина v\ не яв­ ляется строго постоянной, как это имеет место в неподвижной воде

рость течения >по линии его движения при условии, что длина его подводной части составляет 0,94ft (h — глубина вертикали). При меньшей длине шеста скорость получается завышенной.

Применение гидрометрических шестов ограничено тем, что срав­ нительно редко встречаются реки с достаточно ровным дном.

П р и м е н е н и е р а д и о а к т и в н о г о и н д и к а т о р а д л я и з м е р е н и я с к о р о с т е й т е ч е н и я . Этот способ основан на том же принципе, что и измерения поплавками: скорость опреде­ ляется по времени прохождения раствором индикатора расстояния от места выпуска до места расположения датчика, регистрирую­ щего присутствие индикатора. В качестве поплавка здесь исполь­ зуется облако раствора индикатора.

Данный способ применяется преимущественно для измерения малых скоростей течения, а также для измерений в потоках, имею­ щих очень малые размеры, т. е. в условиях, в которых вертушечные измерения невозможны. Этим способом можно измерить

149