Довольно странно наблюдать, как многотонная машина легко поднимается со взлетной полосы аэродрома и плавно набирает высоту. Казалось бы, поднять столь тяжелую конструкцию в воздух задача невыполнимая. Но, как видим, это не так. Почему самолет не падает, и за счет чего летит?
Ответ на этот вопрос лежит в тех физических законах, которые позволяют поднять в воздух летательные аппараты. Они верны не только в отношении планеров и легких спортивных самолетов, но и в отношении многотонных транспортных лайнеров, которые способны нести дополнительную полезную нагрузку. И вообще уж фантастическим, кажется полет вертолета, которые может не только двигаться по прямой линии, но и зависать на одном месте.
Полет летательных аппаратов стал возможен, благодаря совокупному использованию двух сил – подъемной, и силы тяги двигателей. И если с силой тяги все более или менее понятно, то с подъемной силой все обстоит несколько сложнее. Несмотря на то, что с этим выражением мы все хорошо знакомы, объяснить его может не каждый.
И так, какова природа появления подъемной силы?
Давайте внимательно посмотрим на крыло самолета, благодаря которому он и может держаться в воздухе. Снизу оно совершенно плоское, а сверху имеет сферическую форму, с выпуклостью наружу. Во время движения самолета воздушные потоки спокойно проходят под нижней частью крыла, не претерпевая каких — либо изменений. Но чтобы пройти над верхней поверхностью крыльев, воздушный поток должен сжаться. В результате мы получаем эффект продавленной трубы, сквозь которую должен пройти воздух.
Чтобы обогнуть сферическую поверхность крыла, воздуху понадобится больше времени, нежели при его прохождении под нижней, плоской поверхностью. По этой причине над крылом он движется быстрее, что, в свою очередь, приводит к возникновению разности давлений. Под крылом оно значительно больше, нежели над крылом, из-за чего и возникает подъемная сила. В данном случае действует закон Бернулли, с которым каждый из нас знаком со школьной скамьи. Самое главное в том, что разность давлений будет тем больше, чем выше скорость движения объекта. Вот и получается, что подъемная сила может возникать лишь при движении самолета. Она давит на крыло, заставляя его подниматься.
По мере разгона самолета по взлетной полосе, увеличивается и разность давлений, что приводит к возникновению подъемной силы. С набором скорости она постепенно растет, сравнивается с массой самолета, и как ее превысит, он взлетает. После набора высоты, пилоты уменьшают скорость, подъемная сила сравнивается с весом самолета, что заставляет его лететь в горизонтальной плоскости.
Чтобы самолет двигался вперед, его оснащают мощными двигателями, которые гонят воздушный поток в направлении крыльев. С их помощью можно регулировать интенсивность воздушного потока, а, следовательно, и силу тяги.
Большинство из нас все-таки иногда задают вопрос себе как может удержаться в воздухе самолет весом до 600 тонн и более.
Из школьных учебников понятно, что они поднимаются, подчиняясь законам физики, и поднимаются все летательные конструкции, начиная с легких спортивных самолетиков и заканчивая тяжелыми транспортниками или бесформенными вертолетами. Происходит это за счет силы тяги двигателя и подъемной силы.
Практически каждый знает словосочетание «подъемная сила», но не все могут объяснить, как это происходит. А на самом деле объяснить данное действо можно, не влезая в математические формулы и аксиомы.
Крыло летального аппарата – это главная несущая поверхность самолета. Почти всегда имея определенный профиль, у которого верхняя часть выпуклая, а нижняя плоская. Когда воздушный поток проходит под нижней частью профиля самолета, изменения структуры и формы его практически не происходит. Воздушный поток, проходя над верхней частью профиля, сужается, так как для потока воздуха верхняя плоскость профиля - это как вогнутая стенка в трубе, в ней он как бы протекает.
Чтобы прогнать за определенное время тот же объем воздуха через данную «продавленную» трубу, двигать его нужно быстрее. По закону Бернулли, который проходится в школьной программе физике, чем выше скорость потока, тем ниже его давление. Из этого следует, что давление над всем крылом, а значит и над профилем ниже давления под ним.
Образуется сила, которая хочет выдавить крыло, а, следовательно, и весь самолет. Это и называется подъемной силой. Если же она становится больше веса летательного аппарата, он взлетает. Чем больше скорость, тем больше подъемная сила. Если же вес самолета и значение подъемной силы сравнялись, то летательный аппарат перейдет в горизонтальное положение. Не плохую скорость придает его авиационный двигатель, т.е. силу тяги, которую он создает.
Используя вышеизложенные принципы можно, по теории, заставить взлететь любой предмет с любой массой и формой. Не стандартной формы, т.е. отличается от самолетов, является вертолет. Он разительно отличается от самолета, но в воздух его поднимает по той же причине. У вертолета крыло с а аэродинамическим профилем, является лопасть его главного несущего винта.
Лопасть создает подъемную силу, двигаясь в воздушном потоке при вращении винта, которая поднимает его и двигает вертолет вперед. Этого происходит при изменении наклона вращения винта, в результате чего появляется горизонтальная составляющая подъемной силы, которая исполняет роль силы тяги самолетного двигателя.
Возможность летать людей привлекала всегда, но создание подобных современным лайнерам аппаратов еще чуть больше сотни лет назад казалось абсурдом. Астроному американского происхождения Саймону Ньюкому даже приписывали математические доказательства того, что поднять в небо технику тяжелее воздуха не получится, однако сейчас ежедневно взлетают 11000-13000 судов. Рассказываем, что изменилось и как самолетам удается перевозить миллионы пассажиров.
Как выглядит полет с точки зрения физики
Чтобы взлететь, аппарату нужно компенсировать силу тяжести за счет подъемной и противостоять силе сопротивления воздуха тягой
Невозможный, согласно математическим расчетам Ньюкома, полет современных лайнеров можно объяснить простым опытом. Для него понадобятся 2 одинаковые банки, пара похожих мух и весы. На одну чашу ставят емкость с насекомым, которое неподвижно сидит на дне. На другой оказывается банка с постоянно летающей мухой.
По логике, первая чаша должна перевесить фактически пустую вторую емкость. Но на деле обе части мерила окажутся в балансе. Летающая муха поднимается в воздух за счет направленного вниз потока импульса, добавляя банке несколько граммов и уравновешивая силу тяжести.
В случае с самолетом принцип в общих чертах похож, только организовано все гораздо сложнее. Летят аппараты благодаря подъемной силе (ПС), возникающей при взаимодействии потоков воздуха и крыла с аэродинамической формой. Последние располагаются под углом. Острием они рассекают поток на направленный вниз и «набегающий», из-за чего под крылом образуется область высокого давления, а над ним - низкого. Разница в итоге и порождает подъемную силу.
Но чтобы взлететь, аппарату нужно компенсировать не только силу тяжести за счет подъемной, но и противостоять силе сопротивления воздуха тягой. В отличие от насекомых, судно не способно набрать нужные скорость и высоту с помощью взмахов крылышками. «Стать на воздух» самолет сможет на определенной скорости, набрать которую помогают двигатели.
Наглядное объяснение того, как и почему летают самолеты. Какую роль в передвижении по воздуху играют крыло, двигатель и другие части конструкции.
Скорость взлета и движения на эшелоне
Скорость (V) передвижения у лайнеров непостоянна - на подъеме необходима одна, а в полете другая.
- Взлет фактически начинается с момента движения судна по полосе. Аппарат разгоняется, набирает необходимый для отрыва от полотна темп и только тогда, благодаря увеличению подъемной силы, взмывает вверх. Необходимая для отрыва V прописана в руководстве к каждой модели и общих инструкциях. Моторы в этот момент работают на полную, дают огромную нагрузку на машину, отчего процесс считается одним из самых сложных и опасных.
- Чтобы зафиксироваться в пространстве и занять выделенный эшелон, необходимо достичь уже другой скорости. Полет в горизонтальной плоскости возможен только в том случае, если ПС компенсирует притяжение Земли.
Показатели скорости, с которой летательный аппарат способен подняться в воздух и задержаться там на определенное время, назвать трудно. Зависят они от характеристик конкретной машины и окружающих условий. У небольшого одномоторного V логично будет ниже, чем у гигантского пассажирского судна - чем крупнее аппарат, тем быстрее ему приходится двигаться.
Для «Боинга» 747-300 это примерно 250 километров в час, если плотность воздуха составит 1,2 килограмма на кубический метр. У Cessna 172 - примерно 100. Як-40 отрывается от полотна на 180 км/ч, Ту154М - на 210. Для Ил 96 показатель в среднем достигает 250, а у Airbus A380 - 268.
Из независимых от модели аппарата условий при определении числа опираются на:
- направление и силу ветра - встречный помогает, подталкивая нос вверх
- наличие осадков и влажность воздуха - могут осложнять или способствовать разгону
- человеческий фактор - после оценки всех параметров решение принимает пилот
Скорость, характерную для эшелона, в технических характеристиках обозначают как «крейсерская» - это 80% от максимальных возможностей машины
Скорость на самом эшелоне также зависит непосредственно от модели судна. В технических характеристиках ее обозначают как «крейсерская» - это 80% от максимальных возможностей машины. Первый пассажирский «Илья Муромец» разгонялся всего до 105 километров в час. Сейчас же число среднем в 7 раз больше.
Если летите на Airbus A220, показатель находится на уровне 870 км/ч. А310 передвигается обычно со скоростью 860 километров в час, А320 - 840, А330 - 871, А340-500 - 881, А350 - 903, а гигант А380 - 900. У «Боингов» примерно так же. Boeing 717 летает на крейсерской в 810 километров в час. Массовый 737 - на 817-852 в зависимости от поколения, дальнемагистральный 747 - 950, 757 - на 850 км/ч, первый трансатлантический 767 - 851, Triple Seven - 905, а реактивный пассажирский 787 - 902. По слухам, компания занимается разработкой лайнера для гражданской авиации, который будет доставлять людей из одной точки в другую на V=5000. Но пока в топ самых быстрых в мире входят исключительно военные:
- американский сверхзвуковой F-4 Phantom II пусть и уступил место более современным, но все еще входит в десятку с показателем в 2370 километров в час
- одномоторный истребитель Convair F-106 Delta Dart с 2450 км/ч
- боевой МиГ-31 - 2993
- экспериментальный Е-152, чья конструкция легла в основу МиГ-25 - 3030
- прототип XB-70 Valkyrie - 3 308
- исследовательский Bell X-2 Starbuster - 3 370
- МиГ-25 способен достичь 3492, но остановиться на этой отметке и не повредить двигатель невозможно
- SR-71 Blackbird - 3540
- мировой лидер X-15 с ракетным двигателем - 7 274
Возможно, и гражданские суда когда-нибудь смогут достигнуть этих показателей. Но точно не ближайшее время, пока главным фактором в вопросе остается безопасность пассажиров.
4 детали авиалайнера, от которых зависят летные качества
Летающие машины отличаются от обычных очень сложными конструкциями, предусматривающими каждую мелочь. И кроме очевидных деталей, на возможности и характеристики передвижения влияют и другие части - всего собрали 4 основных.
1. Крыло. Если при отказе двигателя можно долететь до ближайшего аэродрома на втором, а при неполадках сразу в двух - приземлиться с опытом пилота, без крыла от пункта отправления не отдалишься. Не будет его - не будет необходимой подъемной силы. В единственном числе о крыле говорят не случайно. Вопреки распространенному мнению, оно у самолета одно. Этим понятием обозначают всю плоскость, расходящуюся в обе стороны от борта.
Поскольку это главная деталь, отвечающая за нахождение в воздухе, ее конструкции уделяется очень много внимания. Форму строят по точным расчетам, выверяют и испытывают. Кроме того, крыло способно выдерживать огромные нагрузки, чтобы не ставить под угрозу главное - безопасность людей.
2. Закрылки и предкрылки. Большее количество времени крыло самолета имеет обтекаемую форму, но на взлете и посадке на нем появляются дополнительные поверхности. Выпускаются закрылки и предкрылки для того, чтобы увеличить площадь и справиться с действующими на аппарат силами во время серьезных нагрузок в начале и конце пути. При приземлении тормозят лайнер, не позволяют ему упасть слишком быстро, а на подъеме помогают удержаться в воздухе.
У некоторых исследователей появлялись безумные идеи – они хотели полететь, но почему же результат оказался таким плачевным? Давно проводились попытки приделать к себе крылья, и, махая ими, взлететь в небо как пернатые. Оказалось, что силы человека недостаточно для поднятия себя на машущих крыльях.
Первыми народными умельцами были естествоиспытатели из Китая. Сведения о них записаны в «Цань-хань-шу» в первом веке нашей эры. Дальше история пестрит случаями подобного рода, которые происходили и в Европе, и в Азии, и в России.
Первое научное обоснование процессу полета дал Леонардо да Винчи в 1505 году. Он заметил, что птицам не обязательно махать , они могут держаться на неподвижном воздухе. Из этого ученый сделал вывод, что полет возможен, когда крылья движутся относительно воздуха, т.е. когда машут крыльями при отсутствии ветра или когда при неподвижных крыльях.
Почему же самолет летит?
Удерживать в воздухе помогает подъемная сила, которая действует только на больших скоростях. Особая контракция крыла позволяет создавать подъемную силу. Воздух, который движется над и под крылом, претерпевает изменения. Над крылом он разреженный, а под крылом – . Создаются два воздушных потока, направленные вертикально. Нижний поток приподнимает крылья, т.е. самолет, а верхний подталкивает вверх. Таким образом, получается, что на больших скоростях воздух под летательным аппаратом становится твердым.
Так реализуется вертикальное движение, но что заставляет самолет двигаться горизонтально? – Двигатели! Пропеллеры как бы просверливают путь в воздушном пространстве, преодолевая сопротивление воздуха.
Таким образом, подъемная сила преодолевает силу притяжения, а тяговая – силу торможения, и самолет летит.
Физические явления, лежащие в основе управления полетом
В самолете все держится на равновесии подъемной силы и силы земного притяжения. Самолет летит прямо. Увеличение скорости полета увеличит подъемную силу, самолет станет подниматься. Чтобы нивелировать этот эффект, пилот обязан опустить нос самолета.
Уменьшение скорости окажет прямо противоположный эффект, и пилоту потребуется поднять нос самолета. Если этого не сделать, произойдет крушение. В связи с указанными выше особенностями существует риск разбиться, когда самолет теряет высоту. Если это происходит близко к поверхности земли, риск почти 100%. Если это происходит высоко над землей, пилот успеет увеличить скорость и набрать высоту.
Часто, наблюдая за летящим в небе самолётом, мы задаёмся вопросом, как самолёт поднимается в воздух. Как он летит? Ведь самолёт значительно тяжелее воздуха.
Почему поднимается дирижабль
Мы знаем, что аэростаты и дирижабли поднимает в воздух сила Архимеда . Закон Архимеда для газов гласит: «Н а тело, погружённое в газ, действует выталкивающая сила, равная силе тяжести вытесненного этим телом газа» . Эта сила противоположна по направлению силе тяжести. То есть, сила Архимеда направлена вверх.
Если сила тяжести равна силе Архимеда, то тело находится в равновесии. Если же сила Архимеда больше силы тяжести, то тело поднимается в воздухе. Так как баллоны аэростатов и дирижаблей заполняют газом, который легче воздуха, то сила Архимеда выталкивает их вверх. Таким образом, сила Архимеда является подъёмной силой для летательных аппаратов легче воздуха.
Но сила тяжести самолёта значительно превышает силу Архимеда. Следовательно, поднять самолёт в воздух она не может. Так почему же он всё-таки взлетает?
Подъёмная сила крыла самолёта
Возникновение подъёмной силы часто объясняют разностью статических давлений воздушных потоков на верхней и нижней поверхности крыла самолёта.
Рассмотрим упрощённый вариант появления подъёмной силы крыла, которое располагается параллельно потоку воздуха. Конструкция крыла такова, что верхняя часть его профиля имеет выпуклую форму. Воздушный поток, обтекающий крыло, разделяется на два: верхний и нижний. Скорость нижнего потока остаётся практически неизменной. А вот скорость верхнего возрастает за счёт того, что он должен преодолеть больший путь за то же время. По закону Бернулли, чем выше скорость потока, тем ниже давление в нём. Следовательно, давление над крылом становится ниже. Из-за разницы этих давлений возникает подъёмная сила , которая толкает крыло вверх, а вместе с ним поднимается и самолёт. И чем больше эта разница, тем больше и подъёмная сила.
Но в этом случае невозможно объяснить, почему подъёмная сила появляется, когда профиль крыла имеет вогнуто-выпуклую или двояковыпуклую симметричную форму. Ведь здесь воздушные потоки проходят одинаковое расстояние, и разницы давлений нет.
На практике профиль крыла самолёта располагается под углом к воздушному потоку. Этот угол называется углом атаки . А поток воздуха, сталкиваясь с нижней поверхностью такого крыла, скашивается и приобретает движение вниз. Согласно закону сохранения импульса на крыло будет действовать сила, направленная в противоположном направлении, то есть, вверх.
Но эта модель, описывающая возникновение подъёмной силы, не учитывает обтекание верхней поверхности профиля крыла. Поэтому в данном случае величина подъёмной силы занижается.
На самом деле всё намного сложнее. Подъёмная сила крыла самолёта не существует как самостоятельная величина. Это одна из аэродинамических сил.
Набегающий поток воздуха воздействует на крыло с силой, которая называется полной аэродинамической силой . А подъёмная сила - это одна из составляющих этой силы. Вторая составляющая – сила лобового сопротивления. Вектор полной аэродинамической силы – это сумма векторов подъёмной силы и силы лобового сопротивления. Вектор подъёмной силы направлен перпендикулярно вектору скорости набегающего воздушного потока. А вектор силы лобового сопротивления – параллельно.
Полная аэродинамическая сила определяется как интеграл от давления вокруг контура профиля крыла:
Y – подъёмная сила
Р – тяга
dΩ – граница профиля
р – величина давления вокруг контура профиля крыла
n – нормаль к профилю
Теорема Жуковского
Как образуется подъёмная сила крыла, впервые объяснил русский учёный Николай Егорович Жуковский, которого называют отцом русской авиации. В 1904 г. он сформулировал теорему о подъёмной силе тела, которое обтекается плоскопараалельным потоком идеальной жидкости или газа.
Жуковский ввёл понятие циркуляции скорости потока, что позволило учесть скос потока и получить более точное значение подъёмной силы.
Подъемная сила крыла бесконечного размаха равна произведению плотности газа (жидкости), скорости газа (жидкости), циркуляции скорости потока и длины выделенного отрезка крыла. Направление действия подъемной силы получается поворотом вектора скорости набегающего потока на прямой угол против циркуляции.
Подъёмная сила
Плотность среды
Скорость потока на бесконечности
Циркуляция скорости потока(вектор направлен перпендикулярно плоскости профиля, направление вектора зависит от направления циркуляции),
Длина отрезка крыла (перпендикулярно плоскости профиля).
Величина подъёмной силы зависит от многих факторов: угла атаки, плотности и скорости воздушного потока, геометрии крыла и др.
Теорема Жуковского положена в основу современной теории крыла.
Самолёт может взлететь только в том случае, если подъёмная сила больше его веса. Скорость он развивает с помощью двигателей. С увеличением скорости увеличивается и подъёмная сила. И самолёт поднимается вверх.
Если подъёмная сила и вес самолёта равны, то он летит горизонтально. Двигатели самолёта создают тягу – силу, направление которой совпадает с направлением движения самолёта и противоположно направлению лобового сопротивления. Тяга толкает самолёт сквозь воздушную среду. При горизонтальном полёте с постоянной скоростью тяга и лобовое сопротивление уравновешены. Если увеличить тягу, самолёт начнёт ускоряться. Но и лобовое сопротивление увеличится тоже. И вскоре они снова уравновесятся. И самолёт будет лететь с постоянной, но большей скоростью.
Если скорость уменьшается, то становится меньше и подъёмная сила, и самолёт начинает снижаться.
