За счет чего поднимается самолет в небо. Как и почему летают самолеты? Объяснение с физической точки зрения довольно простое, но тяжелее это исполнить на практике
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.
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.
Самолет – это летательный аппарат, имеющий массу больше массы воздуха, и подъемную силу, созданную по аэродинамическому принципу (отбрасывание вниз части воздуха за счет обтекания крыла). Подъемная сила - это и есть ответ на вопрос о том, почему самолеты летают. Ее создают несущие поверхности (в основном, крылья) при движении навстречу воздушному потоку самолета, развивающего скорость при помощи силовой установки или турбины. За счет силовой установки, создающей силу тяги, самолет способен преодолевать сопротивление воздуха.
Самолеты летают по законам физики
В основе аэродинамики как науки заложена теорема Николая Егоровича Жуковского, выдающегося русского ученого, основателя аэродинамики, которая была сформулирована еще в 1904 году. Спустя год, в ноябре 1905 года Жуковский изложил свою теорию создания подъемной силы крыла летательного аппарата на заседании Математического общества.
Для того чтобы подъемная сила смогла поднять в воздух современный самолет, даже весом в десятки тонн, его крыло должно иметь достаточную площадь. На подъемную силу крыла влияет множество параметров, таких как профиль, площадь, форма крыла в плане, угол атаки, скорость и плотность воздушного потока. Каждый самолет имеет свою минимальную скорость, при которой он может взлетать и лететь, не падая. Так, минимальная скорость современных пассажирских самолетов находится в пределах от 180 до 250 км/ч.
Почему самолеты летают с разной скоростью?
От требуемой скорости самолета зависит и его размер. Площадь крыльев медленных транспортных самолетов должна быть достаточно большой, так как подъемная сила крыла и скорость, развиваемая самолетом, прямо пропорциональны. Большая площадь крыльев у медленных самолетов обусловлена тем, что при достаточно малых скоростях подъемная сила невелика.
Скоростные самолеты, как правило, имеют гораздо меньшие по размерам крылья, обладающие при этом достаточной подъемной силой. Чем меньше плотность воздуха, тем меньшей становится подъемная сила крыла, поэтому на большой высоте скорость самолета должна быть выше, чем при полете на малой высоте.
Почему самолеты летают так высоко?
Высота полета современных реактивных самолетов находится в пределах от 5000 до 10000 метров над уровнем моря. Это объясняется очень просто: на такой высоте плотность воздуха намного меньше, а, следовательно, меньше и сопротивление воздуха. Самолеты летают на больших высотах, потому что при полете на высоте 10 километров самолет расходует на 80% меньше горючего, чем при полете на высоте в один километр. Однако почему же тогда они не летают еще выше, в верхних слоях атмосферы, где плотность воздуха еще меньше? Дело в том, что для создания необходимой тяги двигателем самолета необходим определенный минимальный запас воздуха. Поэтому у каждого самолета имеется наибольший безопасный предел высоты полета, называемый также «практический потолок». К примеру, практический потолок самолета Ту-154 составляет около 12100 метров.
Самолеты умеют летать , поскольку на большой скорости крыло самолета создаёт силу, толкающую самолёт вверх. Эта сила называется подъёмной силой крыла самолёта. Согласно законам физики, давление воздуха в тех местах, где скорость потока выше, будет более низким, и наоборот. Эта разница давлений и создаёт подъёмную силу крыла.
Научной основой аэродинамики является теорема великого русского учёного Николая Егоровича Жуковского, сформулированная им в 1904 году. Жуковский представил теорию образования подъёмной силы самолёта на заседании Математического общества в ноябре 1905 года.
Крыло современного самолёта имеет достаточную площадь, чтобы подъёмная сила могла поднимать самолёт вверх, даже при весе самолёта в десятки тонн. Подъемная сила крыла зависит от множества факторов: профиля, площади, формы крыла в плане, угла атаки, скорости и плотности потока воздуха. У каждого самолёта есть минимальная скорость, при которой самолет может взлетать, лететь и не падать. У современных пассажирских самолётов она колеблется в пределах от 180 до 250 км/ч.
Почему самолеты летают так высоко?
Современные реактивные самолёты летают на высотах от 5 до 11 тысяч метров над уровнем моря по очень простой причине: на таких высотах воздух гораздо менее плотный, что позволяет самолёту достигать меньшего сопротивления воздуха. Экономия горючего при полёте на 10,000 метров может достигать 80% от полёта на высоте 1000 метров. Поэтому самолёты и летают на больших высотах. Однако что мешает им подняться ещё выше, где воздух ещё более разрежен? — спросите вы. Дело в том, что двигателям самолётов нужно определённое минимальное количество воздуха для сжигания, иначе двигатель не сможет создавать необходимую тягу. Поэтому у каждого самолёта есть так называемый «практический потолок» — наибольшая высота, на которой самолёт может безопасно лететь. Например, у Ту-154 практический потолок равен примерно 12100 метрам.
На этом коротком видео наглядно продемонстрирован принцип подъёмной силы крыла:
Сегодня 9 февраля 2020 года. А вы знаете, какой сегодня праздник ?
Расскажите Почему самолеты летают друзьям в социальных сетях:
Человек полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума.
Н. Е. Жуковский
Фото И. Дмитриева.
Рис. 1. При взаимодействии плоской пластины с потоком воздуха возникают подъёмная сила и сила сопротивления.
Рис. 2. При обтекании потоком воздуха выгнутого крыла давление на его нижней поверхности будет выше, чем на верхней. Разница в давлениях даёт подъёмную силу.
Рис. 3. Отклоняя ручку управления, лётчик изменяет форму руля высоты (1-3) и крыльев (4-6).
Рис. 4. Руль направления отклоняют педалями.
Вы когда-нибудь летали? Не на самолёте, не на вертолёте, не на воздушном шаре, а сами — как птица? Не приходилось? И мне не довелось. Впрочем, насколько я знаю, это не удалось никому.
Почему же человек не смог этого сделать, ведь кажется, нужно лишь скопировать крылья птицы, прикрепить их к рукам и, подражая пернатым, взмыть в поднебесье. Но не тут-то было. Оказалось, что человеку не хватает сил, чтобы поднять себя в воздух на машущих крыльях. Рассказами о таких попытках пестрят летописи всех народов, от древнекитайских и арабских (первое упоминание содержится в китайской хронике «Цаньханьшу», написанной ещё в I в. н.э.) до европейских и русских. Мастера в разных странах использовали для изготовления крыльев слюду, тонкие прутья, кожу, перья, но полететь так никому и не удалось.
В 1505 году великий Леонардо да Винчи писал: «… когда птица находится в ветре, она может держаться в нём без взмахов крыльями, ибо ту же роль, которую при неподвижном воздухе крыло выполняет в отношении воздуха, выполняет движущийся воздух в отношении крыльев при неподвижных крыльях». Звучит это сложно, но по сути не просто верно, а гениально. Из этой идеи следует: чтобы полететь, не нужно размахивать крыльями, нужно заставить их двигаться относительно воздуха. А для этого крылу нужно просто сообщить горизонтальную скорость. От взаимодействия крыла с воздухом возникнет подъёмная сила, и, как только её величина окажется больше величины веса самого крыла и всего, что с ним связано, начнётся полёт. Дело оставалось за малым: сделать подходящее крыло и суметь разогнать его до необходимой скорости.
Но опять возник вопрос: какой формы должно быть крыло? Первые эксперименты проводили с крыльями плоской формы. Посмотрите на схему (рис. 1). Если на плоскую пластину под небольшим углом действует набегающий поток воздуха, то возникают подъёмная сила и сила сопротивления. Сила сопротивления старается «сдуть» пластину назад, а подъёмная сила - поднять. Угол, под которым воздух дует на крыло, называется углом атаки. Чем больше угол атаки, то есть чем круче к потоку наклонена пластина, тем больше подъёмная сила, но вырастает и сила сопротивления.
Ещё в 80-х годах XIX века учёные выяснили, что оптимальный угол атаки для плоского крыла лежит в пределах от 2 до 9 градусов. Если угол сделать меньше - сопротивление будет небольшим, но и подъёмная сила маленькой. Если развернуться круче к потоку - сопротивление окажется так велико, что крыло превратится скорее в парус. Отношение величины подъёмной силы к величине силы сопротивления называется аэродинамическим качеством. Это один из самых важных критериев, относящихся к летательному аппарату. Оно и понятно, ведь чем выше аэродинамическое качество, тем меньше энергии тратит летательный аппарат на преодоление сопротивления воздуха.
Вернёмся к крылу. Наблюдательные люди очень давно заметили, что у птиц крылья не плоские. Всё в тех же 1880-х годах английский физик Горацио Филлипс провёл эксперименты в аэродинамической трубе собственной конструкции и доказал, что аэродинамическое качество выпуклой пластины значительно больше, чем плоской. Нашлось и довольно простое объяснение этому факту.
Представьте, что вам удалось сделать крыло, у которого нижняя поверхность плоская, а верхняя - выпуклая. (Очень просто склеить модель такого крыла из обычного листа бумаги.) Теперь посмотрим на вторую схему (рис. 2). Поток воздуха, набегающий на переднюю кромку крыла, делится на две части: одна обтекает крыло снизу, другая - сверху. Обратите внимание, что сверху воздуху приходится пройти путь несколько больший, чем снизу, следовательно, сверху скорость воздуха будет тоже чуть больше, чем снизу, не так ли? Но физикам известно, что с увеличением скорости давление в потоке газа падает. Смотрите, что получается: давление воздуха под крылом оказывается выше, чем над ним! Разница давлений направлена вверх, вот вам и подъёмная сила. А если добавить угол атаки, то подъёмная сила ещё увеличится.
Одним из первых вогнутые крылья сделал талантливый немецкий инженер Отто Лилиенталь. Он построил 12 моделей планеров и совершил на них около тысячи полётов. 10 августа 1896 года во время полёта в Берлине его планер перевернуло внезапным порывом ветра и отважный пилот-исследователь погиб. Теоретическое обоснование парения птиц, продолженное нашим великим соотечественником Николаем Егоровичем Жуковским, определило всё дальнейшее развитие авиации.
А теперь попробуем разобраться, как подъёмную силу можно изменять и использовать для управления самолётом. У всех современных самолётов крылья сделаны из нескольких элементов. Основная часть крыла неподвижна относительно фюзеляжа, а на задней кромке устанавливают как бы небольшие дополнительные крылышки-закрылки. В полёте они продолжают профиль крыла, а на взлёте, при посадке или при манёврах в воздухе могут отклоняться вниз. При этом подъёмная сила крыла возрастает. Такие же маленькие дополнительные поворотные крылышки есть на вертикальном оперении (это руль направления) и на горизонтальном оперении (это руль высоты). Если такую дополнительную часть отклонить, то форма крыла или оперения меняется, и меняется его подъёмная сила. Посмотрим на третью схему (рис. 3 на с. 83). В общем случае подъёмная сила увеличивается в сторону, противоположную отклонению рулевой поверхности.
Расскажу в самых общих чертах, как управляется самолёт. Чтобы подняться вверх, нужно слегка опустить хвост, тогда возрастёт угол атаки крыла, самолёт начнёт набирать высоту. Для этого пилот должен потянуть штурвал (ручку управления) на себя. Руль высоты на стабилизаторе отклоняется вверх, его подъёмная сила уменьшается и хвост опускается. При этом угол атаки крыла увеличивается и его подъёмная сила возрастает. Чтобы спикировать, пилот наклоняет штурвал вперёд. Руль высоты отклоняется вниз, самолёт задирает хвост и начинает снижение.
Наклонить машину вправо или влево можно при помощи элеронов. Они расположены на концевых частях крыльев. Наклон ручки управления (или поворот штурвала) к правому борту заставляет правый элерон подняться, а левый - опуститься. Соответственно подъёмная сила на левом крыле возрастает, а на правом падает, и самолёт наклоняется вправо. Ну а как наклонить самолёт влево - догадайтесь сами.
Рулём направления управляют с помощью педалей (рис. 4). Толкаете вперёд левую педаль - самолёт поворачивает налево, толкаете правую - направо. Но делает это машина «лениво». А вот чтобы самолёт быстро развернулся, нужно сделать несколько движений. Предположим, вы собираетесь повернуть влево. Для этого нужно накренить машину влево (повернуть штурвал или наклонить ручку управления) и в то же время нажать на левую педаль и взять штурвал на себя.
Вот, собственно, и всё. Вы можете спросить, почему же лётчиков учат летать несколько лет? Да потому, что просто всё только на бумаге. Вот вы дали самолёту крен, взяли ручку на себя, а самолёт вдруг начал съезжать вбок, как на скользкой горке. Почему? Что делать? Или в горизонтальном полёте вы решили подняться повыше, взяли штурвал на себя, а самолёт вдруг, вместо того чтобы забираться на высоту, клюнул носом и по спирали полетел вниз, как говорят, вошёл в «штопор».
Пилоту в полёте нужно следить за работой двигателей, за направлением и высотой, за погодой и пассажирами, за собственным курсом и курсами других самолётов и множеством других важных параметров. Пилот должен знать теорию полёта, расположение и порядок работы органов управления, должен быть внимательным и смелым, здоровым, а самое главное - любить летать.