Назовите что такое самолет с точки зрения физики

Почему самолеты летают

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.

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:

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:

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.

3. Спойлеры. Появляются на верхней части крыла в моменты, когда требуется уменьшить ПС. Играют роль своеобразного тормоза. Эта и детали из предыдущего пункта представляют собой механизацию, которой пилоты управляют вручную.

4. Двигатель. Винтовые тянут машину за собой, а реактивные «толкают» вперед.

Пусть еще в начале прошлого века в идею создать летающий транспорт мало кто верил, в наши дни самолеты ни у кого не вызывают удивления. Хотя в принципах их передвижения разбираются единицы – конструкции аппаратов, физика полетов кажутся слишком сложными и рождают массу заблуждений. Но рядовому пассажиру знать подобное и не обязательно. Главное, запомнить, что возможности каждой модели лайнеров просчитаны, и повторить судьбу Икара возможно лишь в редких случаях.

Источник

Физика в движении самолета

Введение

Обоснования выбора темы

Из множества предоставляемых вариантов тем, я выбрала именно изучение физических явлений, связанных с полетом самолета, потому что такой популярный и распространенный способ передвижения на сегодняшний день является интересным объектом изучения. Самолёт — воздушное судно, предназначенное для полётов в атмосфере с помощью силовой установки, создающей тягу, и неподвижного относительно других частей аппарата крыла, создающего подъёмную силу. Физика играет огромную роль в процессе работы самолета. Тысячи самолетов летают каждый день. Тысячи людей доверяют жизни самолетам. Как же физика связана с этим? Именно этот вопрос натолкнул меня на изучения данной темы.

Актуальность это работы обусловлена изучением историей открытия физических явления в полете самолета, совершенствования их использования, а также возможностью развития моих исследовательских способностей, расширения кругозора и базы математических и физических знаний, развития логического мышления, тренировки интеллекта.

Объектом исследования является школьный материал физики 7-9 класс.

Предметом исследования являются физические явления в полете самолета.

Гипотезой исследования стало предположение: изученные физические явления лежат в основе полета самолета.

Цель исследования: проследить историю открытия физики, связанной с самолетом, как эти открытия повлияли на развитие общества. Исследовать некоторые физические явления, происходящие при полете самолета, установить между ними связь.

Практическая значимость работы определяется возможностью подробного изучения, саморазвития, анализа открытий.

I глава. Научное описание и объяснение явлений

1. Подъемная сила

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. 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. А почему подъёмная сила появляется, когда профиль крыла имеет вогнуто-выпуклую или двояковыпуклую симметричную форму?

Профиль крыла самолёта располагается под углом к воздушному потоку. 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.

На самом деле всё намного сложнее. 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.

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.

2. Сила тяжести

Сила тяжести остается всегда одинаковой, на земле ли самолет или в воздухе, и поэтому приятно знать, что эта постоянная сила всегда с нами. Полет возможен только тогда, когда есть поступательная скорость. Поступательная скорость получается за счет энергии от сгорания горючего.

Если мы отрываемся от земли и поднимаемся на некоторую высоту, мы уже имеем некоторый запас энергии (вес самолета), способный придать самолету поступательную скорость, когда мотор перестанет ее развивать. В случае остановки мотора на некоторой высоте над землей вес продолжает тянуть самолет вперед; самолет не падает, а начинает планировать, скользя вниз, будучи все время управляем.

Чем выше самолет находится в воздухе, тем большее расстояние он может пролететь без мотора. Постоянно действующая сила тяжести становится чем- то вроде постоянной охраны обеспечивая самолет невидимой энергией, необходимой для движения вперед.

3. Электризация

На задней кромке крыла хорошо видны 10 электростатических разрядников.

Статическое электричество для летательных аппаратов представляет серьёзную проблему, но успешно решаемую.

Из-за трения о воздух на самолете в полёте набирается заряд 200 – 300 мкКл, поднимающий потенциал до 200 – 300 киловольт.

Когда шасси самолета приближаются к посадочной полосе, происходит электрический разряд на землю длиной около метра, чаще всего по поверхности резины колес. Его хорошо видно в темноте.

Для предотвращения негативного влияния статического электричества на летательных аппаратах установлены следующие средства защиты:

На самолётах электростатические разрядники установлены группами на конце крыла, а также других выступающих частях конструкции планера.

Тело разрядника длиной 10–15 см представляет объемный резистор сопротивлением в 10–100 МОм.

II глава. История открытия, интересные факты о рассматриваемых явлениях

1. Подъемная сила

Подъемная, она же Архимедова, сила. Легенда гласит, что царь Герон II попросил мыслителя определить, из чистого ли золота сделана его корона, не причиняя вреда самому царскому венцу. Взвесить корону Архимеду труда не составило, но этого было мало — нужно было определить объем короны, чтобы рассчитать плотность металла, из которого она отлита, и определить, чистое ли это золото. Дальше, согласно легенде, Архимед, озабоченный мыслями о том, как определить объем короны, погрузился в ванну — и вдруг заметил, что уровень воды в ванне поднялся. И тут ученый осознал, что объем его тела вытеснил равный ему объем воды, следовательно, и корона, если ее опустить в заполненный до краев таз, вытеснит из него объем воды, равный ее объему. Решение задачи было найдено. А в развитии аэродинамики у нас в стране выдающуюся роль сыграл профессор Николай Егорович Жуковский (1847—1921) —«отец русской авиации». Заслуга Жуковского состоит в том, что он первый объяснил образование подъемной силы крыла и сформулировал теорему для вычисления этой силы. Теорема Жуковского: Подъёмная сила сегмента крыла бесконечного размаха равна произведению плотности газа (жидкости), скорости газа (жидкости), циркуляции скорости потока и длины выделенного отрезка крыла. Направление действия подъёмной силы получается поворотом вектора скорости набегающего потока на прямой угол против циркуляции. До Жуковского возникновение подъёмной силы объяснялось ударной теорией Ньютона, описывающей ударяющиеся об обтекаемое тело не связанные друг с другом частицы воздуха. Данная теория даёт заниженное значение подъёмной силы крыла. Жуковский впервые представил открытый им осенью 1904 года механизм образования подъёмной силы крыла на заседании Математического общества 15 ноября 1905 года.

2. Сила тяжести

3. Электризация

Электризация – это явления, в которых тела приобретают свойства притягивать другие тела; вэлектризациивсегдаучаствуютдватела. Приэтом электризуются оба тела. Электризация происходит при соприкосновении. Греческий философ Фалес Милетский, живший в 624-547 гг. до нашей эры, открыл, что янтарь, потертый о мех, приобретает свойство притягивать мелкие предметы — пушинки, соломинки и т.п. Это свойство в течение ряда столетий приписывалось только янтарю, от названия которого и произошло слово «электричество». Рождение учения об электричестве связано с именем Уильяма Гильберта (1540-1603). Он был одним из первых ученых, утвердивших опыт, эксперимент как основу исследования. Он пока­зал, что при трении электризуется не только янтарь, но и многие другие вещества и что притягивают они не только пылинки, но и металлы, дерево, листья, камешки и даже воду и масло.

Вывод

Изучая физические явления, у меня возникло желание более подробно изучить их применение. Удивительным фактом и маленьким открытием становится то, что окружающие явления подчиняются и объясняются общими законами и закономерностями в физике.

Источник

За счет чего взлетает, поднимается в воздух самолет: физика

Самолет — это невероятная сила и красота, особенно в полете. Но как такую огромную машину можно поднять?

Современного человека сложно удивить летающим самолетом в небе. Но если вы хоть раз находились вблизи этой многотонной техники, то озадачивались вопросом – за счет чего взлетает самолет и как воздух его удерживает?

Из школьных учебников по физике всем известно, что главными инструментами полета выступают сила тяги двигателя и подъемная сила.

За счет чего взлетает самолет: что ему помогает?

Чем легче летающее средство, тем меньшая скорость нужна для взлета, к примеру, для взлета пассажирского самолета Ту 154М необходимо развить скорость 210 км/ч, для тяжелого самолета Boeing 737 – 220 км/ч. От скорости взлета зависит безопасность и надежность полета.

Если угол атаки превысит критическую отметку, самолет начнет падать.

За счет чего взлетает самолет: принцип перемещения самолета в воздухе

Вопрос как взлетает самолет зависит от возможностей и характеристик 4 основных частей:

Крылья самолета помогают зафиксировать аппарат в горизонтальном положении. Для управления на высоте предусмотрены подвижные кромки.

За счет чего взлетает, поднимается в воздух самолет: способы взлета

Обеспечить конкретную скорость для взлета самолета можно несколькими способами:

Каждый самолет взлетает по четко прописанному инструктажу, в котором указаны скорость отрыва, допустимая масса при взлете, уровень шума и другие показатели.

Как взлетает самолет: безопасное движение

Видео: Как летают самолеты?

Источник

Научно-технические мифы, часть 1. Почему летают самолеты?

В современном мире многие люди интересуются наукой и техникой и пытаются хотя бы в общих чертах понять, как работают вещи, которые их окружают. Благодаря этому стремлению к просвещению существует научно-просветительская литература и сайты, подобные Гиктаймсу. А поскольку читать и воспринимать ряды формул большинству людей затруднительно, то излагаемые в подобных изданиях теории неизбежно подвергаются значительному упрощению в попытке донести до читателя «суть» идеи с помощью простого и понятного объяснения которое легко воспринять и запомнить. К сожалению, некоторые из подобных «простых объяснений» являются в корне неверными, но при этом оказываются настолько «очевидными», что не подвергаясь особому сомнению начинают кочевать из одного издания в другое и нередко становятся доминирующей точкой зрения, несмотря на свою ошибочность.

В качестве одного из примеров попробуйте ответить на простой вопрос: «откуда возникает подъемная сила в крыле самолета»?

Если в Вашем объяснении фигурируют «разная длина верхней и нижней поверхности крыла», «разная скорость потока воздуха на верхней и нижней кромках крыла» и «закон Бернулли», то я вынужден Вам сообщить, что Вы скорее всего стали жертвой популярнейшего мифа, который преподают порою даже в школьной программе.

Давайте для начала напомним, о чем идет речь

Существует история (я правда не знаю насколько она правдива), что одним из первых людей предложивших, подобную теорию был не кто иной, как сам Альберт Эйнштейн. Согласно этой истории в 1916 году он написал соответствующую статью и на её основе предложил свою версию «идеального крыла», которое, по его мнению, максимизировало разницу скоростей над крылом и под ним, и в профиль выглядело примерно вот так:

В аэродинамической трубе продули полноценную модель крыла с этим профилем, но увы — её аэродинамические качества оказались на редкость плохими. В отличие — парадоксально! — от многих крыльев с идеально симметричным профилем, в которых путь воздуха над крылом и под ним должен был быть принципиально одинаков. В рассуждениях Эйнштейна явно что-то было неправильно. И вероятно наиболее явным проявлением этой неправильности было то что некоторые пилоты в качестве акробатического трюка стали летать на своих самолетах вверх ногами. У первых самолетов, которые пробовали перевернуться в полете, возникали проблемы с топливом и маслом, которое не текло туда, куда нужно, и вытекало там, где не нужно, но после того, как в 30-х годах прошлого века энтузиастами аэробатики были созданы топливные и масляные системы, способные работать длительное время в перевернутом положении, полет «вверх ногами» стал обычным зрелищем на авиашоу. В 1933, к примеру, один американец и вовсе совершил полет вверх ногами из Сан-Диего в Лос-Анджелес. Каким-то волшебным образом перевернутое крыло по-прежнему генерировало подъемную силу, направленную вверх.

Посмотрите на эту картинку — на ней изображен самолет, аналогичный тому, на котором был установлен рекорд полета в перевернутом положении. Обратите внимание на обычный профиль крыла (Boeing-106B airfoil) который, согласно приведенным выше рассуждениям, должен создавать подъемную силу от нижней поверхности к верхней.

Проще говоря, воздух «не знает», что ему нужно двигаться с какой-то определенной скоростью вокруг крыла, чтобы выполнить какое-то условие, которое нам кажется очевидным. И хотя скорость потока над крылом действительно выше, чем под ним, это является не причиной образования подъемной силы а следствием того, что над крылом существует область пониженного давления, а под крылом — область повышенного. Попадая из области нормального давления в разреженную область, воздух разгоняется перепадом давлений, а попадая в область с повышенным давлением — тормозится. Важный частный пример столь «не-бернуллевского» поведения наглядно демонстрируют экранопланы: при приближении крыла к земле его подъемная сила возрастает (область повышенного давления поджимается землей), тогда как в рамках «бернуллевских» рассуждений крыло на пару с землей формируют нечто вроде сужающегося тоннеля что в рамках наивных рассуждений должно было бы разгонять воздух и притягивать за счет этого крыло к земле подобно тому, как это делается в схожих по смыслу рассуждениях о «взаимном притяжении проходящих на параллельных курсах пароходах». Причем в случае экраноплана ситуация во многом даже хуже, поскольку одна из «стенок» этого тоннеля движется с высокой скоростью навстречу крылу, дополнительно «разгоняя» тем самым воздух и способствуя еще большему снижению подъемной силы. Однако реальная практика «экранного эффекта» демонстрирует прямо противоположную тенденцию, наглядно демонстрируя опасность логики рассуждений о подъемной силе построенных на наивных попытках угадать поле скоростей потока воздуха вокруг крыла.

Как это ни странно, значительно более приближенное к истине объяснение дает другая неверная теория подъемной силы, отвергнутая еще в XIX веке. Сэр Исаак Ньютон предполагал, что взаимодействие объекта с набегающим воздушным потоком можно моделировать, предположив, что набегающий поток состоит из крошечных частиц, ударяющихся об объект и отскакивающих от него. При наклонном расположении объекта относительно набегающего потока частицы будут преимущественно отражаться объектом вниз и в силу закона сохранения импульса при каждом отклонении частицы потока вниз объект будет получать импульс движения вверх. Идеальным крылом в подобной модели был бы плоский воздушный змей, наклоненный к набегающему потоку:

Подъемная сила в этой модели возникает за счет того, что крыло направляет часть воздушного потока вниз, это перенаправление требует приложения определенной силы к потоку воздуха, а подъемная сила является соответствующей силой противодействия со стороны воздушного потока на крыло. И хотя исходная «ударная» модель вообще говоря неверна, в подобной обобщенной формулировке это объяснение действительно верно. Любое крыло работает за счет того, что отклоняет часть набегающего потока воздуха вниз и это, в частности, объясняет, почему подъемная сила крыла пропорциональна плотности потока воздуха и квадрату его скорости. Это дает нам первое приближение к правильному ответу: крыло создает подъемную силу потому что линии тока воздуха после прохождения крыла в среднем оказываются направлены вниз. И чем сильнее мы отклоняем поток вниз (например увеличивая угол атаки) — тем подъемная сила оказывается больше.

Немного неожиданный результат, правда? Однако он пока никак не приближает нас к пониманию того, почему воздух после прохождения крыла оказывается движущимся вниз. То, что Ньютоновская ударная модель неверна, было показано экспериментально опытами, которые продемонстрировали что реальное сопротивление потока ниже, чем предсказывает Ньютоновская модель, а генерируемая подъемная сила — выше. Причиной этих расхождений является то, что в модели Ньютона частички воздуха никак не взаимодействуют друг с другом, тогда как реальные линии тока не могут пересекать друг друга, так как это показано на рисунке выше. «Отскакивающие» под крылом вниз условные «частички воздуха» сталкиваются с другими и начинают «отталкивать» их от крыла еще до того, как они с ним столкнутся, а частички воздушного тока, оказавшиеся над крылом, «выпихивают» частички воздуха, расположенные ниже, в пустое пространство, остающееся за крылом:

Говоря другими словами, взаимодействие «отскочившего» и «набегающего» потоков создает под крылом область высокого давления (красную), а «тень», пробиваемая крылом в потоке, образует область низкого давления (синюю). Первая область отклоняет поток под крылом вниз еще до того, как этот поток соприкоснется с его поверхностью, а вторая заставляет поток над крылом изгибаться вниз, хотя он с крылом не соприкасался вообще. Совокупное давление этих областей по контуру крыла, собственно, и образует в итоге подъемную силу. При этом интересный момент состоит в том, что неизбежно возникающая перед крылом область высокого давления у правильно спроектированного крыла соприкасается с его поверхностью лишь по небольшому участку в передней кромке крыла, тогда как область высокого давления под крылом и область низкого давления над ним соприкасаются с крылом на значительно большой площади. В результате подъемная сила крыла формируемая двумя областями вокруг верхней и нижней поверхностей крыла может быть намного больше, чем сила сопротивления воздуха, которую обеспечивает воздействие области высокого давления, расположенной перед передней кромкой крыла.

Поскольку наличие областей разного давления изгибает линии тока воздуха, то часто удобно определять эти области именно по этому изгибу. К примеру, если линии тока над крылом «загибаются вниз», то в этой области существует градиент давления направленный сверху вниз. И если на достаточно большом удалении над крылом давление является атмосферным, то по мере приближения к крылу сверху вниз давление должно падать и непосредственно над крылом оно окажется ниже атмосферного. Рассмотрев аналогичное «искривление вниз», но уже под крылом, мы получаем, что если начать с достаточно низкой точки под крылом, то, приближаясь к крылу снизу вверх, мы придем в область давления, которое будет выше атмосферного. Аналогичным образом «расталкивание» линий тока перед передней кромкой крыла соответствует существованию перед этой кромкой области повышенного давления. В рамках подобной логики можно сказать, что крыло создает подъемную силу, изгибая линии тока воздуха вокруг крыла. Поскольку линии тока воздуха как бы «прилипают» к поверхности крыла (эффект Коанда) и друг к другу, то, изменяя профиль крыла, мы заставляем воздух двигаться вокруг него по искривленной траектории и формировать в силу этого нужный нам градиент давлений. К примеру, для обеспечения полета вверх ногами достаточно создать нужный угол атаки, направив нос самолета в сторону от земли:

Снова немного неожиданно, правда? Тем не менее это объяснение уже ближе к истине, чем исходная версия «воздух ускоряется над крылом, потому что над крылом ему нужно пройти большее расстояние, чем под ним». Кроме того, в его терминах легче всего понять явление, которое называется «срывом потока» или «сваливанием самолета». В нормальной ситуации увеличивая угол атаки крыла мы увеличиваем тем самым искривление воздушного потока и соответственно подъемную силу. Ценою за это является увеличение аэродинамического сопротивления, поскольку область низкого давления постепенно смещается из положения «над крылом» в положение «слегка за крылом» и соответственно начинает притормаживать самолет. Однако после некоторого предела ситуация неожиданно резко изменяется. Синяя линия на графике — коэффициент подъемной силы, красная — коэффициент сопротивления, горизонтальная ось соответствует углу атаки.

Дело в том, что «прилипаемость» потока к обтекаемой поверхности ограничена, и если мы попытаемся слишком сильно искривить поток воздуха, то он начнет «отрываться» от поверхности крыла. Образующаяся за крылом область низкого давления начинает «засасывать» не поток воздуха, идущий с ведущей кромки крыла, а воздух из области оставшейся за крылом, и подъемная сила генерируемая верхней частью крыла полностью или частично (в зависимости от того, где произошел отрыв) исчезнет, а лобовое сопротивление увеличится.

Для обычного самолета сваливание — это крайне неприятная ситуация. Подъемная сила крыла уменьшается с уменьшением скорости самолета или уменьшением плотности воздуха, а кроме того поворот самолета требует большей подъемной силы, чем просто горизонтальный полет. В нормальном полете все эти факторы компенсируют именно выбором угла атаки. Чем медленнее летит самолет, чем менее плотный воздух (самолет забрался на большую высоту или садится в жаркую погоду) и чем круче поворот, тем больше приходится делать этот угол. И если неосторожный пилот переходит определенную черту, то подъемная сила упирается в «потолок» и становится недостаточной для удержания самолета в воздухе. Добавляет проблем и увеличившееся сопротивление воздуха, которое ведет к потере скорости и дальнейшему снижению подъемной силы. А в результате самолет начинает падать — «сваливается». Попутно могут возникнуть проблемы с управлением из-за того, что подъемная сила перераспределяется по крылу и начинает пытаться «повернуть» самолет или управляющие поверхности оказываются в области сорванного потока и перестают генерировать достаточное управляющее усилие. А в крутом повороте, к примеру, поток может сорвать лишь с одного крыла, в результате чего самолет начнет не просто терять высоту, но и вращаться — войдет в штопор. Сочетание этих факторов остается одной из нередких причин авиакатастроф. С другой стороны, некоторые современные боевые самолеты специально проектируются таким специальным образом, чтобы сохранять управляемость в подобных закритических режимах атаки. Это позволяет подобным истребителям при необходимости резко тормозить в воздухе. Иногда это используется для торможения в прямолинейном полете, но чаще востребовано в виражах, поскольку чем меньше скорость, тем меньше при прочих равных радиус поворота самолета. И да-да, Вы угадали — именно это та самая «сверхманевренность», которой заслуженно гордятся специалисты проектировавшие аэродинамику отечественных истребителей 4 и 5 поколений.

Однако мы пока так и не ответили на основной вопрос: откуда, собственно, возникают области повышенного и пониженного давления вокруг крыла в набегающем потоке воздуха? Ведь оба явления («прилипание потока к крылу» и «над крылом воздух движется быстрее»), которыми можно объяснить полет, являются следствием определенного распределения давлений вокруг крыла, а не его причиной. Но почему формируется именно такая картина давлений, а не какая-то другая?

К сожалению, ответ на этот вопрос уже неизбежно требует привлечения математики. Давайте представим себе, что наше крыло является бесконечно длинным и одинаковым по всей длине, так что движение воздуха вокруг него можно моделировать в двумерном срезе. И давайте предположим, для начала, что в роли нашего крыла выступает… бесконечно длинный цилиндр в потоке идеальной жидкости. В силу бесконечности цилиндра такую задачу можно свести к рассмотрению обтекания круга в плоскости потоком идеальной жидкости. Для столь тривиального и идеализированного случая существует точное аналитическое решение, предсказывающее, что при неподвижном цилиндре общее воздействие жидкости на цилиндр будет нулевым.

А теперь давайте рассмотрим некое хитрое преобразование плоскости на себя, которое математики называют конформным отображением. Оказывается можно подобрать такое преобразование, которое с одной стороны сохраняет уравнения движения потока жидкости, а с другой трансформирует круг в фигуру, имеющую похожий на крыло профиль. Тогда трансформированные тем же самым преобразованием линии тока жидкости для цилиндра становятся решением для тока жидкости вокруг нашего импровизированного крыла.

Наш исходный круг в потоке идеальной жидкости имеет две точки, в которых линии тока соприкасаются с поверхностью круга, и следовательно те же две точки будут существовать и на поверхности профиля после применения к цилиндру преобразования. И в зависимости от поворота потока относительно исходного цилиндра («угла атаки») они будут располагаться в разных местах поверхности сформированного «крыла». И почти всегда это будет означать, что часть линий тока жидкости вокруг профиля должна будет огибать заднюю, острую кромку крыла, как показано на картинке выше.

Это потенциально возможно для идеальной жидкости. Но не для реальной.

Наличие в реальной жидкости или газе даже небольшого трения (вязкости) приводит к тому, что поток подобный изображенному на картинке немедленно нарушается — верхний поток будет сдвигать точку где линия тока соприкасается с поверхностью крыла до тех, пор пока она не окажется строго на задней кромке крыла (постулат Жуковского-Чаплыгина, он же аэродинамическое условие Кутты). И если преобразовать «крыло» обратно в «цилиндр», то сдвинувшиеся линии тока окажутся примерно такими:

Но если вязкость жидкости (или газа) очень мала, то получившееся подобным путем решение должно подходить и для цилиндра. И оказывается, что такое решение действительно можно найти, если предположить, что цилиндр вращается. То есть физические ограничения, связанные с перетоком жидкости вокруг задней кромки крыла приводят, к тому, что движение жидкости из всех возможных решений будет стремиться прийти к одному конкретному решению, в котором часть потока жидкости вращается вокруг эквивалентного цилиндра, отрываясь от него в строго определенной точке. А поскольку вращающийся цилиндр в потоке жидкости создает подъемную силу, то ее создает и соответствующее крыло. Компонент движения потока соответствующий этой «скорости вращения цилиндра» называется циркуляцией потока вокруг крыла, а теорема Жуковского говорит о том, что аналогичную характеристику можно обобщить для произвольного крыла, и позволяет количественно рассчитывать подъемную силу крыла на ее основе. В рамках этой теории подъемная сила крыла обеспечивается за счет циркуляции воздуха вокруг крыла, которая порождается и поддерживается у движущегося крыла указанными выше силами трения, исключающими переток воздуха вокруг его острой задней кромки.

Удивительный результат, не правда ли?

Описанная теория конечно сильно идеализирована (бесконечно длинное однородное крыло, идеальный однородный несжимаемый поток газа / жидкости без трения вокруг крыла), но дает довольно точное приближение для реальных крыльев и обычного воздуха. Только не воспринимайте в ее рамках циркуляцию как свидетельство того, что воздух действительно вращается вокруг крыла. Циркуляция — это просто число, показывающее, насколько должен отличаться по скорости поток на верхней и нижней кромках крыла, чтобы решение движений потока жидкости обеспечило отрыв линий тока строго на задней кромке крыла. Не стоит также воспринимать «принцип острой задней кромки крыла» как необходимое условие для возникновения подъемной силы: последовательность рассуждений вместо этого звучит как «если у крыла острая задняя кромка, то подъемная сила формируется так-то».

Попробуем подытожить. Взаимодействие воздуха с крылом формирует вокруг крыла области высокого и низкого давления, которые искривляют воздушный поток так, что он огибает крыло. Острая задняя кромка крыла приводит к тому, что в идеальном потоке из всех потенциальных решений уравнений движения реализуется только одно конкретное, исключающее переток воздуха вокруг острой задней кромки. Это решение зависит от угла атаки и у обычного крыла имеет область пониженного давления над крылом и область повышенного давления — под ним. Соответствующая разница давлений формирует подъемную силу крыла, заставляет воздух двигаться быстрее над верхней кромкой крыла и замедляет воздух под нижней. Количественно подъемную силу удобно описывать численно через эту разницу скоростей над крылом и под ним в виде характеристики, которая называется «циркуляцией» потока. При этом в соответствии с третьим законом Ньютона действующая на крыло подъемная сила означает, что крыло отклоняет вниз часть набегающего воздушного потока — для того, чтобы самолет мог лететь, часть окружающего его воздуха должна непрерывно двигаться вниз. Опираясь на этот движущийся вниз поток воздуха самолет и «летит».

Простое же объяснение с «воздухом, которому нужно пройти более длинный путь над крылом, чем под ним» — неверно.

Источник